低维碳材料主要指富勒烯、碳纳米管、石墨烯等新发现的碳元素的新型同素异形体。低维碳材料是过去30年来材料科学领域最重要的科学发现,具有极其重要的科学价值和应用前景,其中富勒烯和石墨烯分别于1996年和2010年相继获得诺贝尔化学奖和物理奖。由于独特的几何结构和以sp²杂化轨道为主的成键结构,低维碳材料集优异的电学、力学、热学、光学等性能于一体。例如：石墨烯和碳纳米管是已知最薄和最细的材料,具有百倍于硅的载流子迁移率、最高的热导率和力学强度,以及优异的柔韧性。因此,低维碳材料在电子、信息、能源、交通、航空航天、国防等涉及国计民生的诸多领域有着广阔的应用前景,是最有希望获得大规模应用、有望主导未来高科技产业的超级材料。高品质低维碳材料的控制制备及其能源、电子和光电子器件应用探索,新奇物性和新效应的研究和发现,仍然是低维碳材料领域最为活跃和重要的研究方向,而低维碳材料如何从基础研究向产业化转移并最终形成新兴产业链,以及发展新型低维碳材料的研究开发则方兴未艾。

我国有关低维碳材料的研究在国际上起步较早且拥有庞大的研究队伍,经过近30年特别是最近10年的快速发展,已逐步形成自己的特色和优势,在国际上具有举足轻重的地位。从低维碳材料领域发表的SCI论文看,2004–2013年的10年间,中国在该领域发表的 SCI论文数占世界同领域论文总量从2004年的18.6%增长到2013年的34.4%,2013年中国该领域SCI论文数达8 067篇,是美国的近2倍,世界排名升至第1位;从同期该领域论文的篇均被引频次和Top1%高被引论文数占世界相应论文的份额来看,2004–2013年中国与美国的差距大福缩小：2004年,中国论文的篇均被引频次为33.2次/篇,美国为82.7次/篇,中国不及美国的1/2,但2013年两国的差距已大为缩小（中国7.3次/篇,美国9.0次/篇）;2004年,中国的低维碳材料领域Top1%高被引论文的世界份额仅为美国的1/7,而2013年中国的这一份额为39.6%,比美国的份额（49.2%）约低 10%（见表1）。

中国在低维碳材料的制备方法和规模生产方面具有显著优势,尤其在碳纳米管和石墨烯的精细结构控制、性能调控以及宏量制备方面,做出了一系列原创性和引领性工作;在应用研究方面,中国主要集中于储能、复合材料和透明导电薄膜等领域,在基于低维碳材料的储能用电极材料设计、制备、性能改善和储能机制及复合材料应用中涉及的复合工艺、功能利用及增强机制探索等方面开展了大量工作,特色明显;在碳基电子器件研究方面的多项研究结果载入国际半导体技术路线图,受到国际同行广泛关注。近年来,中国在低维碳材料产业化,特别是规模制备、触摸屏和锂离子电池导电添加剂应用方面表现突出。

总之,中国无论是低维碳材料的基础与应用基础研究还是产业化研发在国际上都处在第一方队,有着雄厚的积累和特色优势,并已形成了强有力的创新研究团队,建成了较为完善的研究平台。

中国在低维碳材料的发现史上占有一席之地。2010年,中国科学院化学所的科学家在国际上首次合成出石墨炔便是其中的重要例证。

中国在碳纳米管和石墨烯的精细结构控制、性能调控以及宏量制备方面做出了一系列原创性工作,有力地推动了低维碳材料领域的整体发展。例如,中国科学院物理所和清华大学在国际上率先提出并实现了碳纳米管定向阵列、超细碳纳米管、超顺排碳纳米管阵列的制备;北京大学在国际上率先实现了碳纳米管的直径和手性调控及高密度生长,在金属、绝缘体甚至玻璃上实现了石墨烯的大面积、层数可控生长;中国科学院金属所提出了浮动催化剂和非金属催化剂CVD方法宏量制备单壁碳纳米管,提出了模板导向CVD等方法制备石墨烯三维网络结构材料、率先实现了毫米级单晶石墨烯的制备与无损转移;清华大学提出了规模制备碳纳米管的流化床方法;厦门大学和中国科学院化学研究所在富勒烯族材料的研究方面具有重要国际影响等。

中国在低维碳材料的规模制备方面发展迅速,处于国际领先地位。例如,清华大学、中国科学院成都有机所与企业合作实现了碳纳米管的规模制备,建成了世界上最大的碳纳米管生产线;清华大学利用超顺排碳纳米管阵列实现了碳纳米管透明导电薄膜的批量生产并大量应用于智能手机触摸屏;中国科学院金属所和宁波材料所等与企业合作,实现了高质量石墨烯的吨级规模制备;无锡格菲电子薄膜、常州二维碳素和重庆墨希科技等公司已开发出石墨烯透明导电薄膜的连续生产技术并实现了在触摸屏中的应用;中科院化学所开发出了富勒烯的规模合成技术等。

中国在低维碳材料的应用研究主要集中于储能、复合材料和透明导电薄膜、限域催化、重大疾病早期诊断等领域,在基于低维碳材料的锂离子电池、超级电容器和锂硫电池的电极材料设计、制备、性能改善和储能机制及复合材料应用中涉及的复合工艺、功能利用及增强机制探索方面开展了大量工作,并已逐步走向产业化。例如,中国科学院金属所、宁波材料所、成都有机所等设计制备出一系列碳纳米管、石墨烯复合电极材料,并开展了低维碳材料在柔性储能器件中的应用;清华大学、南开大学在石墨烯超级电容器方面进行了系统深入的研究;清华大学和中国科学院成都有机化学有限公司开发出锂离子电池用碳纳米管导电添加剂的规模化应用技术。中科院大连大化所在碳纳米管限域催化领域、中科院化学所和国家纳米中心在富勒烯材料应用于癌症早期诊断等方面均取得了国际公认的系统性成果。

中国在碳基电子器件研究方面也颇为活跃。北京大学基于低维碳材料载流子的双极性提出了无掺杂场效应管模型,发现了钪与碳纳米管欧姆接触的n-型场效应特性,在几十纳米通道尺度实现了室温弹道输运,进而构建出数字倒相器和加法器等电路,受到了国际同行的广泛关注。中山大学已研制出碳纳米管和石墨烯冷阴极,并开拓了其在功率高频真空电子器件、发光与显示器件中的应用。

需要指出的是,低维碳材料家族仍蕴藏着极大的拓展空间。毫无疑问,石墨炔绝非低维碳材料家族的末代成员,新的发现和新的应用还将继续,这也是低维碳材料的巨大魅力之所在。

低维碳材料已经逐渐从基础研究和技术研发阶段走向产业化探索与应用阶段,在未来20年间,将陆续实现储能应用、高强度复合材料、柔性显示器件、光通讯、超高频器件、柔性晶体管和碳基大规模集成电路等的产业化。未来的发展方向包括但不限于以下几点。

（1）新型低维碳材料的探索;

（2）基于性能要求进行低维碳材料结构和组成的设计;

（3）低维碳材料可控制备和结构控制技术的研究与开发;

（4）低维碳材料大规模及低成本制备技术的发展;

（5）注重低维碳材料综合性能的实际应用;

（6）低维碳材料规模应用的开拓和产业化推进。

值此低维碳材料新兴产业发展的战略机遇期,我国须果断决策,迅速布局,组织力量迎接挑战,把握住时代赋予我们的良好发展机遇。