一、石墨烯为什么被誉为新材料之王（黑金）？

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，如果把20万片薄膜叠加到一起，仅仅有一根头发丝那么厚。

早在2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁•诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov），成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，他们两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。


石墨烯原本就存在于自然界，仅仅是难以剥离出单层结构。实际上石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。实际上用铅笔在纸上轻轻划一下，留下的痕迹可能是几层甚至仅仅一层石墨烯的厚度。

在人类发现石墨烯之前，全球很多物理学家观点认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。因此，石墨烯的发现当时震撼了凝聚体物理学学术界。尽管全球理论界和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中依然被制备出来。


石墨烯对世界物理学基础研究拥有十分特殊意义，原因是它让一些此前只能通过“纸上谈兵”的量子效应可以通过实验来验证，比如电子无视障碍、它能够实现幽灵般的穿越。但更令科学家感兴趣的，是石墨烯拥有许多“极端”的物理性质。

二、石墨烯的十分重要特性及功能有哪些？

石墨烯作为世界上目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯因此被誉称为“黑金”，是“新材料之王”，许多科学家甚至开始预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

石墨烯不但是最薄的材料，同时也是最强韧的材料，值得一提的是，石墨烯的断裂强度比最好的钢材还高200倍。石墨烯有很好的弹性，拉伸幅度能达到本身尺寸的20％。假如用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。


令人难以想象的是，石墨本身几乎是最软的矿物质（莫氏硬度只有1~2级），假如“切”成一个碳原子厚度的薄片时，石墨烯的“性格”会发生如此之大的变化。、石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高，但它却有非常好的韧性，并且可以弯曲。


石墨烯外围只有一层原子，因此电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有全新的电学属性。值得一提的是，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远超过电子在一般导体中的运动速度。


石墨烯最有潜力的应用是成为硅的替代品，比如制造超微型晶体管，制造未来的超级计算机。据权威专家分析，假如采用石墨烯取代硅，那么计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

需要特别指出的是，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。同时它又十分致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。石墨烯这些重要特征使得它十分适合作为透明电子产品的原料，比如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。


石墨烯具有很强的化学敏感性，能够制成高效探测器等。比如涂有石墨烯的传感器能够检测到含有用于炸药、氨等化学物质的低浓度的蒸汽。

三、石墨烯未来的巨大应用前景是怎样的？

石墨烯的许多重要特性注定要给全球诸多产业带来翻天覆地的巨大变化，并且展现了极大的研发应用前景。比如在塑料里掺入百分之一的石墨烯，能使塑料具备十分良好的导电性；如果加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。并且在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，可以用于制造飞机、汽车和卫星。


中国科学家发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。因此，利用石墨烯这个特性可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫。值得一提的是，西班牙Graphenano公司同科尔瓦多大学合作研究出全球首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，并且用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而充电时间还不到8分钟。最重要的是其成本将比锂电池低接近80%。


由美国韩国的科研人员组成的联合小组报告称他们将小片石墨烯连接到金属电极上，悬空于基底材料上方并加载一定的电流使其加热，制成了只有一层原子的世界上最薄电灯泡，未来或将制成最薄的显示器。


综上所述，石墨烯无疑是具有革命性的新材料。


值得一提的是，中国尤其在石墨烯研究上具有十大独特的优势。作为石墨烯生产原料的石墨，中国的储存量十分丰富，尤其是价格低廉。值得一提的是，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。事实上，中国已成功突破这两大难题，并且将制造成本已从之前的5000元/克降至3元/克，而且解决了这种材料的量产难题。重要的是，中国科研人员利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。



根据国家金融信息中心指数研究院全球首个石墨烯指数。指数评价结果显示，全球石墨烯产业综合发展实力排名前三位的国家分别是美国、日本和中国。


由于石墨是热和电的极佳导体，在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱，并耐有机溶剂的腐蚀。再加上由于锂离子电池的用途越来越广泛，石墨作为生产锂离子电池的主要原料之一，越来越受到全球采矿业的重点关注。比如2020年，中国石墨生产位居全球首位，莫桑比克和巴西分别位居第二和第三。中国尤其在片状石墨到阳极供应链的开采和精炼方面均占主导地位。基于美国地质调查局（US Geological Survey）的《矿产概要-2021》（《Mineral Commodity Summaries-2021》）的数据，下面将分别介绍世界10大石墨储存国家：

四、全球石墨烯十大生产国

1、中国（石墨产量：650,000吨）

中国是全球最大的石墨生产国。2020年，中国石墨产量为65万吨，差不多与前两年的产量持平。2020年，中国石墨产量占全球石墨总产量的62％。

尽管目前中国牢牢控制了石墨市场，但西方投资者并不希望中国永远保持统治地位。另外，近年来石墨开采国一直在尝试简化生产，提高效率。该过程对环境污染较大，出于保护环境的目标，中国关闭了山东的某工厂。上述原因可能会进一步影响中国未来的石墨生产。

中国作为世界第一大石墨生产国，曾拥有石墨矿山194座，其中大型矿山40座，中型19座，小型135座，主要分布在内蒙古、黑龙江、河北、山东、湖南及四川等地。值得一提的是，自2017年，我国石墨烯相关专利申请数量保持在1万件以上，中国在石墨烯研究处于世界领先位置。据中国知识产权局、Wind数据库资料，中国早在2015年中国专利申请数量达7925个，居全球第一。

值得一提的是，石墨烯由于在许多研究中展示出惊人的特征，所以都以样品质量非常高为基础。所以要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品，需要最费时费力费钱的手段-机械剥离法。石墨烯作为一种人造材料，石墨烯产业是一个典型的“技术＋资本密集型行业”，需要大量的资本投入，以供技术研发和市场拓展。

需要指出的是，在石墨烯产业化方面，国外大公司的推动力量比较明显。比如韩国，由于石墨烯在三星的主营业务领域均有着重大的应用前景，因此对于石墨烯的研究应用极为重视，不仅成立了自己的研发中心，还和韩国成均馆大学合作，积累了大批石墨烯相关的技术专利。

再比如美国拥有IBM、英特尔、波音等大公司，有利的创业环境催生了众多小型石墨烯企业，形成了较为完整的产业链，覆盖从制备及应用研究到石墨烯产品生产，直至下游应用全环节，加速了石墨烯的产业化和应用进程，产业布局呈多元化。

值得一提的是，《中国制造2025》重点强调：应发展以石墨烯为首的新材料的基础研究和体系建设，突破产业化制备瓶颈，高度关注颠覆性新材料对传统材料的影响，做好石墨烯等战略前言材料提前布局和研制。

2、莫桑比克（石墨产量：120,000吨）

莫桑比克的石墨生产取得了巨大的进步，2020年产量已达到12万吨。西拉资源（Syrah Resources）和海王矿业（Triton Minerals）是莫桑比克两个主要的石墨生产商。

莫桑比克的一个石墨矿项目于2018年初开始运营。据报道，该矿是全球最大的天然石墨矿。该矿在2019年削减了产量以稳定石墨价格。该矿预计将运营50年。

莫桑比克被认为最有望成为全球石墨开采的先锋。由于澳大利亚西拉资源公司（Syrah Resources）计划重启莫桑比克北部省份巴拉马（Balama）石墨矿的生产而寄予厚望。莫桑比克巴拉马石墨矿被认为是世界上最大的高品位（16%）石墨矿床，尤其是矿区开采年限达50年以上。因此，西拉公司能够长期参与未来电动汽车行业的发展。

另外，莫桑比克已是天然气领域的领头羊。据美国能源信息署（United States Energy Information Administration）称，莫桑比克已探明天然气储量100万亿立方英尺，是非洲第3大已探明天然气储量国，仅次于尼日利亚和阿尔及利亚。

3、巴西（石墨产量：95,000吨）

全球天然石墨生产国高度集中，主要在中国、印度和巴西3国。巴西在2020年成为世界第三大石墨生产国，产量为95,000吨。巴西还是世界第三大天然石墨出口国，主要出口到德国、美国、波兰、比利时、印度等国家。

巴西在石墨产量领域，最大的金属生产商是私营的。最主要的石墨生产企业是巴西国家石墨公司(Nationalde Grafite Ltda)，该公司也是世界最大的石墨生产企业之一，巴西国内天然石墨主要由其提供。另外，格拉菲塔公司(GrafitaMGLtda)也是巴西国内重要的石墨生产企业之一。

值得一提的是，全球石墨矿产资源分布广泛，但储量分布相对集中。全球范围内，巴西、中国、印度、墨西哥、马达加斯、韩国等国都有石墨资源分布，但储量分布相对集中。美国地质调查局(USGS)数据显示，全球石墨储量2.5亿t，土耳其、巴西、中国的总储量占全球储量的85%以上，其中土耳其9000万t，占比36.00%；巴西7200万t，占比28.80%。

4、马达加斯加（石墨产量：47,000吨）

马达加斯加是世界第四大石墨生产国。据美国地质调查局的数据，马达加斯加的一些矿山于2018年开始提高产量；而东非国家目前正在开发更多的大型石墨矿床。

马达加斯加共和国位于非洲东部，隔莫桑比克海峡与非洲大陆相望，是世界第四大岛。马达加斯加矿产资源丰富，素有“矿石博物馆”之称。主要矿产有铁、铬、钛、镍、钴、铝、金、石墨、煤及宝石类矿产祖母绿、红蓝宝石等。据现有资料，除少数矿产赋存在晚古生代—新生代沉积地层中外，大部分矿产分布于前寒武纪构造—岩浆—变质杂岩区。


马达加斯加石墨烯主要分布于马达加斯加东部Marivolanitra地区，在南西部Analamateza一带也有少量分布，现已发现矿产地15处，估计石墨资源量2亿t以上，矿床类型为沉积变质型。马达加斯加石墨矿资源居非洲首位，是该国主要开发矿种和世界优质石墨重要产地之一。

Marivolanitra地区为马国主要石墨矿集区，从北部Ambatomitamba至南部Marovintsy面积约800km2的范围内，集中了大中型石墨矿产地8处，资源储量超过1亿t。该区亦是马国主要石墨开发区，主要矿山包括Antsirakambo、Ambalafotaka、Marovintsy等，主要生产企业有：EtablissementsGallois、SocieteMinieredelaGrandeIle等。

5、印度（石墨产量：34,000吨）

印度是仅次于中国的世界第二大石墨生产国。印度国内的石墨生产主要集中在奥里萨邦、拉贾斯坦邦、安德拉邦、比哈尔邦、古吉拉特邦以及泰米尔纳德邦。其中奥里萨邦的产量占全国总产量的65%～75%。阿格拉瓦尔石墨工业公司(Agrawal Grapgite Industries)和TP矿产公司(TP Minerals Pvt. Ltd.)是印度最主要的两家石墨生产企业，主要生产鳞片石墨和粉状石墨产品。

印度2020年石墨总产量为34,000吨，低于2019年的产量。其中阿鲁纳恰尔邦（Arunachal Pradesh）拥有印度近一半的石墨储量。印度共有8个主要的石墨生产商，包括蒂鲁伯蒂碳和石墨公司（Tirupati Carbon & Graphite）、乔塔纳格普尔石墨工业（Chotanagpur Graphite Industries ）、碳和石墨产品公司（ Carbon & Graphite Products）等。

6、俄罗斯（石墨产量：24,000吨）

俄罗斯是全球第六大石墨生产国。俄罗斯2020年的石墨产量较2019年的25,100吨略有下降。由于达尔格拉菲特（Dalgrafit）和乌拉尔石墨（Uralgraphite）两个投资项目启动，预计俄罗斯在未来几年产量将显著增加。Energoprom Group是俄罗斯唯一的主要石墨电极供应商，在Novocherkassk，Novosibirsk和Chelyabinsk有石墨电极工厂。公司产品种类繁多，包括从大型系列产品(石墨化电极、炭电极、阴极炭块)到特制石墨设备和石墨结构产品(化工设备、特种石墨)。公司石墨电极产能为5万吨

据SteelMint的数据，俄罗斯是石墨电极净进口国，进口量约52%来自中国，其次是西班牙(22%)和法国(13%)。

值得一提的是，俄罗斯莫斯科国立科技大学 MISIS 的科学家，曾经发明了一种在室温下制造石墨烯的方法。这项技术能够使得石墨烯与低熔点金属粉末混合，制造出的复合材料可以应用于航空航天。这种复合材料还可以应用到 3D 打印技术中，提高结构强度。研究人员表示，在 3D 打印基材中添加石墨烯可以改善成品导热性，增加机械强度和导电性，可以为航空航天工业制造复杂零件。值得一提的是，工业上获得石墨烯的方法之一是电化学反应，需要在 500℃-700℃的高温下进行，然而不能够应用于铝等低熔点金属，这大大限制了制造复合材料的范围，因为航空航天为了保证轻量，曾大量使用铝合金材质。

7、乌克兰（石墨产量：19,000吨）

乌克兰的矿产资源十分丰富，拥有72种矿产资源，主要有煤、铁、锰、镍、汞、钛、古墨、耐火土、水银、铝、矿物化学原料、建筑材料、石油、天然气等。铁矿的储量曾约占前苏产量的1/2，锰的储量居世界前位（曾经占前苏联产量的3/4）。

乌克兰曾经是前苏联在石墨原料的产量和储量方面均为名列前茅的地区之一。乌克兰扎瓦利叶夫矿床的开采石墨烯就可获得几万吨高品位的石墨精矿,石墨烯占前苏联石墨精矿产量的约60％。

乌克兰2020年的石墨产量低于2019年的20,000吨。扎瓦列耶夫斯基石墨（Zavalyevskiy Graphite）是该国一家大型的石墨生产企业。该公司自1934年开始运营以来，每年生产多达30,000吨的天然片状石墨。

8、挪威（石墨产量：15,000吨）

2019年到2020年，挪威的石墨开采产量几乎持平。该国所有的石墨矿床都含有片状石墨，通常吨位较低。大多数矿山都位于开发条件较好的地区，如靠海或靠近电网。

值得一提的是，挪威科学技术大学的研究人员成功地在石墨烯表面制造了发光二极管(LED)。据研究简报显示，该团队能够创造出一种有可能成为商业产品的新电子元件。这种二极管是无毒的，可能比今天的荧光灯更便宜、更稳定、更耐用。

9、巴基斯坦（石墨产量：13,000吨）

巴基斯坦为世界第二大石墨进口国，进口量曾经达到19.3万吨。有关巴基斯坦石墨开采的信息很少，毕竟巴基斯坦的体量与中国不是一个等级上的。另外，巴基斯坦的经济相对落后一些，产量上很难满足，大量进口是必然的。

10、加拿大（石墨产量：10,000吨）

北美天然石墨产量占全球总产量的4%，主要由加拿大和墨西哥生产。加拿大作为石墨潜在来源地位一直在上升。必然特斯拉（TESLA）曾经表示，计划将内华达州作为其北美锂离子电池超级工厂所需锂、石墨和钴的主要来源地。

值得一提的是，加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室陈忠伟教授的科研团队协同加拿大滑铁卢大学科技公司成功开发了一种石墨烯硅基锂离子电池技术，这项技术采用55%以上的硅材料作为负极活性材料，硫掺杂的石墨烯以及聚丙烯腈作为辅助，通过简单的高温处理，实现电极微观结构的构筑成型，所测试的电化学性能与目前商业化电池相比，比容量提提高了6-7倍，循环寿命达到2200次以上