石墨烯涂料可以应用于导电油墨、抗静电、电池屏蔽、气体屏障材料中。理论上来说，所有以石墨烯为主的公司和新公司可以生产液相或者热剥离石墨烯，那么制备工艺会向着简单合理的方向发展。此外，今后几年石墨烯的化学衍生物将会得到大量的发展，可以控制产品的导电率和透明度。

石墨烯是高惰性的，所以可以作为保护层防止水和氧的扩散。由于在合适的情况下石墨烯可以在任何金属表面上直接生长，形成保护层，所以石墨烯可以运用在复杂的表面上。

石墨烯的机械性能、化学性能、电性能、屏蔽性能以及高的纵横比，使得石墨烯在复合材料中的应用十分诱人。碳纤维的商业地位很高，与其相比石墨烯在作为支撑材料前，必须要使得它的成本合算。目标是使得每千克石墨烯价格为25欧元，并且杨氏模量可以到达250GHz。此外，纯石墨烯可能没有碳纤维一样的粘附性能，这需要更多化学改性研究来改善石墨烯的粘附性能。

给复合材料带来额外功能是另一个较大市场，其中石墨烯所占的份额会很大而且可能会迅速地发展。石墨烯可以阻隔气体和水，可以作为电磁屏蔽材料，可以传递电和热，也可以在聚合物矩阵中监测应力变化。作为聚合物的添加剂，加入石墨烯可能会使加工温度升高、减少水分的吸收、诱导抗静电行为、给予光电保护、提高轴向压缩强度。在很多的应用中，因碳纤维机械连接性过大而限制了其应用，所以需要使用石墨烯来代替（例如注塑复合材料）。

考虑到许多公司已经建立了石墨烯和氧化石墨烯的生产线，石墨烯复合材料在几年之后出现是可以预想得到的。利用简单的方法制备得到超过10μm的石墨烯仍有很大困难，但只有在这个尺寸下才能充分发挥石墨烯高杨氏模量的优点。幸运的是，单层的石墨烯片就有很强的增强效果，这让石墨烯复合材料在短时间内出现成为了可能。

7 能源生产和存储

▲图4 石墨烯材料在超级电容器中的应用

人们一直都在寻找高效的可再生能源技术，石墨烯已经加入了可再生能源研究这一行列。目前，有许多关于太阳能电池的研究，石墨烯在其中的作用可以分为作为活性介质和作为透明或者分布式电极。前一种方法与光电探测器的工作原理相同，原则上能均匀吸收宽光谱。然而，由于石墨烯低的内在光学吸收率，这种设备需要复杂的干涉法或者等离子体增强结构才能大规模使用。相反，使用石墨烯透明电极可以很好的应用于半导体量子点和染料-光敏太阳能电池中。在石墨烯中通过掺杂可以改变费米能级的位置，该电极使用电子和空穴作为导电媒介。由于通过液相或者热剥离法生产石墨烯的成本正在下降，研究人员可以考虑在染料太阳能电池中广泛使用石墨烯，特别是可以在那些机械柔性占主要的应用领域。

目前，在新一代锂离子电池中使用石墨烯的相关研究已经有很多。通常使用的商业化的锂电池电极的电导率通常比较低，这可以通过在电极中加入石墨烯或者炭黑来改善。石墨烯为片状，不仅可以作为先进导电层而且还能形成核-壳或者三明治型纳米结构。这些新形貌不仅提高了电导率，还有助于克服锂离子电池的重要缺陷-低功率密度。最后，石墨烯的高热导率有利于释放在电池系统中高电流载荷产生的热量。作为阳极，石墨烯纳米片可以作为锂的可逆式插入片状晶体。石墨烯纳米片与碳纳米管、富勒烯、C60可以一起使用提高电池容量。

超级电容器（图4）是基于电化学双层电容原理的储能设备。其（相比于锂离子电池）优越的倍率性能主要依靠其静电储能的原理，利用高比表面积的活性碳材料的电极-电解质界面的快速吸脱附电荷来决定其性能。石墨烯用于超级电容器提供了高的本征电导率、良好的孔结构、良好的抗氧化性能和高的热稳性。目前石墨烯电化学双层电容器在电容以及能量和功率密度方面处于领先地位。尽管石墨烯超级电容器的特点如此的诱人，但是在该体系商业化应用之前，仍有许多亟待解决的问题。尤其是石墨烯超级电容器的不可逆电容相对比较高，可以通过选择更好的电解质或者较少缺陷来改善。

在燃料电池铂催化剂的支撑材料中使用石墨烯纳米片也在研究当中。与炭黑作为铂催化剂的基础支撑材料不一样，石墨烯减小了铂粒子的尺寸，因为铂原子与石墨烯间相互作用比较强。铂与石墨烯间的强相互作用和铂粒子的小尺寸直接增强了甲醇燃料电池的催化活性。

当石墨烯在性能和成本上都比较优秀时，就能够替代现在能源相关的通用材料（石墨，炭黑和活性炭）。

8 石墨烯用于传感器和计量

石墨烯作为二维织物和几乎没有体积的表面，对于环境的变化有极高的敏感性。因此，考虑将石墨烯用于传感器中就十分合理了，从测量磁场到DNA测序，从探测周围液体的速率到应变仪。后者（通过电子或者光读数）可能成为最具竞争力的设备。由于石墨烯是唯一可以拉长20%的晶体，因此显著提高了传感器的工作范围。

尽管石墨烯气体传感器极其灵敏，但是与目前的设备相比竞争优势还不明显。选择性低和水中毒限制了石墨烯在此方面的应用，尽管这种传感器生产成本很低，但是只能限用于某些领域。功能化可以提高石墨烯传感器的灵敏度，但是由于该方法成本较高，因此石墨烯可能最适合应用于生物传感器中。

石墨烯传感器的主要优点是它们的多功能性。同一个设备可以用来测量多个参数（如应变，气氛，压力和磁场）。这给石墨烯提供了独特的机会。随着交互式电子产品的急剧发展，石墨烯传感器应用前景更加广阔。

石墨烯因其独特的能带结构，在零能耗和第一能级间较大的不规则能级分裂，使得基于霍尔效应测量通用电阻标准的理想材料的开发成为了可能。在碳化硅表面外延生长的石墨烯的霍尔效应量子化精度为百亿分之一，这个性能远优于传统使用的六方砷化镓材料，该技术已经用于几种计量设备中。

9 石墨烯的生物应用

石墨烯某些性能使得其可以作为潜在的生物应用材料。比面积大、化学纯度高和易官能化为石墨烯用于载药提供了可能。石墨烯特殊的机械性能可以应用于组织工程和再生医学中。石墨烯同时具有薄、传导好、强度高的特点，可以用于透射电镜中生物材料的支架。同时，化学功能化的石墨烯可以应用于快速、超灵敏的测量仪器，检测包括葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和DNA等一系列生物分子。

由于石墨烯比表面积大，有不受限制的π电子，石墨烯的衍生物可以用于溶解，绑定药物分子，因此石墨烯如果有足够高的载药量，可作为潜在的药物运载工具，能够在体内较好分散，释放药物。石墨烯是亲脂性的，这个性能有利于解决载药过程中药物穿过生物膜。到目前为止，已经完成了很多关于芳香抗癌药物如阿霉素的载药或体外行为相关的工作。聚乙二醇修饰的氧化石墨烯，用近红外荧光染料染色，不带任何药品，在异种移植老鼠的静脉中表现出被动的肿瘤靶向。肿瘤细胞在被低功耗近红外激光辐照后被杀死，表示石墨烯的衍生物可以应用于光热光谱分析癌症治疗。然而，当加入新材料时，药物开发需要高安全性，临床和监管障碍而且耗时较长，所以石墨烯载药技术在2030年前不太可能进入市场。

组织工程是影响病人一系列疾病治疗的潜在新兴技术领域，尽管目前只有少数产品进行了临床实验。石墨烯可以成为支架材料的一部分，用来提高组织工程的机械性能（强度和弹性），选择透过性和调节它们在某些领域如细胞粘附、增殖、分化等生物性能。

在石墨烯充分体现它在生物医药领域的作用前，其生物分散，生物相容性以及急性、慢性毒性等危险在加工过程和后续的使用过程中会相继表现出来。最后，特定的领域需要特定形式的石墨烯，因为产品的性能会随着尺寸、形貌和化学结构的不同而不一样。在某些情况下，也可以利用生物活性产生特定的毒性。例如，有毒的石墨烯衍生物可以作为一种以自身为抗生素或者抗癌治疗的治疗剂。