《Nature》子刊：石墨烯商业化前景分析及展望

石墨烯发现至今已有 20 年，与石墨烯相关的专利申请已超过15万。然而，尽管早期承诺将石墨烯集成到半导体和光子设备中，但迄今为止最大的应用还是在能量存储和聚合物领域。本文分析了过去二十年石墨烯的商业化进程，并讨论了石墨烯在实现净零碳应用中的作用。

已发表了超过 37 万篇研究论文，申请了超过 15 万项专利，并出现了众多致力于利用石墨烯相关材料（GRMs）潜力的公司。值得注意的是，欧盟发起了一项耗资10亿欧元、为期十年的计划，旨在将欧洲推向石墨烯商业化的最前沿。然而，尽管取得了这些进展，但人石墨烯并未兑现其商业承诺。

尽管二十年的时间看似漫长，但将石墨烯的发展历程与其他传统材料的历史轨迹相比较，就会发现石墨烯仍处于早期阶段。五年前对石墨烯商业化进程的回顾表明，石墨烯的发展前景广阔，而近年来，石墨烯的发展速度甚至更快。标准的建立、健康和安全考虑因素的详细研究、验证真正石墨烯生产商的强大系统，以及欧洲、美国、加拿大和澳大利亚等主要市场的监管审批，都促进了石墨烯的快速发展。目前，全球石墨烯年产量超过 23,000 公吨，全球有 250多家公司将石墨烯材料商业化，这表明石墨烯市场正在不断扩大。

近年来，企业的专利申请量日益超过学术机构，目前占石墨烯专利总量的 76%，从 2019 年到 2022 年将增加 12%。过去五年的另一个趋势是，传统科技公司而非石墨烯公司目前正在推动大多数石墨烯专利的申请。2019 年，传统科技公司占企业石墨烯专利的近 84%。到 2020 年，这一数字增加到近 91%，到 2022 年，这一数字达到近 94%。这一趋势支持了这样一种论点，即主流科技和工业公司正在通过石墨烯和使用其他二维材料的专利来寻求竞争优势。这一转变为石墨烯融入各种应用指明了大有可为的方向。

商业开发

石墨烯的商业化从相关专利的激增中可见一斑。自 2004 年以来，全球已申请超过 150,000 项石墨烯相关专利，过去五年平均每年新增18,000项专利。 石墨烯在2010年诺贝尔奖之后，在美国、英国、欧盟、韩国和日本的大量政府资助下，石墨烯的产量显著增加。在过去的几年里，石墨烯行业公司的运营战略也发生了变化。在石墨烯流行的早期，公司只专注于 GRM 的生产。现在，许多公司还通过垂直整合使用 GRM 开发即用型解决方案和产品，使其更容易在目标应用市场采用。这种转变是由不同类型 GRM 的独特特性以及有效处理和应用它们所需的专业知识推动的。目前，石墨烯行业的生产方面只有 250多家公司。这些公司中约有36% 专门以生产 GRM 作为原材料，而约38% 的公司专注于开发可用于目标应用的 GRM 集成中间体，其余公司则参与这两方面。

图1：石墨烯相关专利申请的趋势。

另一个值得注意的趋势是 GRM 生产商的逐步整合。市场日趋成熟，一批大型生产商正在崛起，旨在服务于广泛的细分市场。这种整合也导致一些小公司被吸收。Versarien Plc 就是一个典型的例子，它从石墨烯生产商转变为收购了超过 7 家其他公司，以扩大其在石墨烯应用开发方面的产品组合并迎合各种细分市场。

不断发展的应用

最初，石墨烯的发展路线图强调了其在柔性电子器件、超高速低功耗设备、晶体管和高效太阳能电池方面的潜力6 。这种关注推动了生产单层石墨烯材料的紧迫性。超声波剥离等更简单的块状生产方法的出现，以及在聚合物复合材料等大规模应用领域的探索，极大地推动了对块状石墨烯的研究7。从那时起，石墨烯的影响已经远远超出了它的电子特性，其强化能力、热传输、高强度和紫外线屏蔽等特性都得到了充分利用。

2004 年，很少有人预料到石墨烯在混凝土、水泥和沥青中的应用，而如今，这些应用领域已大量投资使用各种形式的 GRM。最初的市场研究预测，基于石墨烯的超级电容器、光子设备、透明导电薄膜和柔性电路市场价值数百万美元，复合年增长率在 40-70% 之间。20 年过去了，这些应用中的许多仍在开发之中，有些离商业应用还很遥远。这也反映了与研发、采购和整合各种应用市场的新型材料相关的成本。不过，涂料和复合材料等行业已将块状石墨烯迅速融入其应用中，并将其在分散其他纳米填料方面的现有专业知识应用到石墨烯中。对 2022-2023 年申请的石墨烯专利分析表明，最主要的应用领域仍然包括能量存储、化学添加剂、聚合物添加剂和电子产品（图 1b）。

石墨烯的主要应用是它所创造的应用，而不是那些它只能提供增量改进的应用。这些应用可能是石墨烯提供前所未有的性能的应用，如基于石墨烯的下一代场效应晶体管，也可能是使传统材料以新方式使用的应用，如航空航天技术中的先进热塑性塑料。

可持续发展的整合

石墨烯正在推动各行各业的创新，推动实现净零目标。在水泥、聚合物和涂料等大宗商品市场，石墨烯可减少这些能源密集型材料的碳足迹，因此特别具有吸引力。例如，美国轮胎制造商协会已将石墨烯确定为轮胎中 6PPD 的潜在替代品，而 6PPD 因其生态毒性效应而闻名。

生产方法的创新也增强了石墨烯的可持续性吸引力。石墨在电池材料供应链中占有重要地位，而且主要由几家全球供应商垄断。替代生产技术使用碳氢化合物气体作为原料，副产品为绿色氢气，同时非常节能。这种氢气可作为工厂运营的燃料，使生产过程更具可持续性。

石油焦等低价值碳氢化合物废料也已成为石墨烯生产的宝贵原料。马来西亚领先的石化公司 Petronas 拥有利用石油焦生产石墨烯的关键专利，该公司产生了大量的石油焦。目前，马来西亚国家石油公司（Petronas）的先进材料部门不断发展壮大，其基于石墨烯的商业产品可用于能源储存、涂料和复合材料应用。这些替代原料和生产方法的进步，加上更好的规模经济，有可能降低石墨烯的价格，同时减少其碳足迹，提高其在低利润领域的市场渗透率。

展望

石墨烯最初以其卓越的电子特性而著称，现在随着 Paragraf 的高灵敏度、环境耐受性和可重复传感器等应用进入市场，石墨烯正在兑现其承诺。石墨烯的许多大批量应用被视为商业秘密，通常不会出现在专利审查或广告中。这使得人们很容易低估石墨烯的实际使用水平。尽管如此，围绕石墨烯的创新生态系统已经蓬勃发展，为即将到来的突破奠定了坚实的基础。最终用户行业的日益参与标志着从单纯生产到无缝产品集成的有利过渡，预示着石墨烯技术令人兴奋的未来。

文献：https://doi.org/10.1038/s42254-024-00754-9