石墨烯材料的應(yīng)用

1、石墨烯材料的應(yīng)用 摘要：在學(xué)習(xí)了功能材料課程后，我們最終選擇石墨烯最為我們的介紹材料與最終課程論文報(bào)告主題。石墨烯目前是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)最為活躍的研究前沿,這一非傳統(tǒng)的二維材料展現(xiàn)出極好的結(jié)晶性及電學(xué)質(zhì)量,它在過去短短幾年內(nèi)已充分顯示出在理論研究和應(yīng)用方面的無窮魅力.論文主要介紹石墨烯目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有很好應(yīng)用前景的方面。 雖然只有當(dāng)商用產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)才能肯定其應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)性, 但憑借其非同尋常的性質(zhì)我們相信石墨烯將會(huì)給世界帶來巨變。  關(guān)鍵詞：石墨烯應(yīng)用。  引言：自從2004 年安德烈.海姆 和康斯坦丁

2、.諾沃肖洛夫這對(duì)師生用膠帶分離法首次制得石墨烯后，不僅在2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，還引起全球的石墨烯研究熱。目前全世界有無數(shù)的科研機(jī)構(gòu)與科學(xué)工作者在做相關(guān)石墨烯的理論、制備、應(yīng)用方面的研究，并在電化學(xué)，功能材料，電子器件，化學(xué)吸附等方面都取得了顯著地成果。雖然這些都還只是處于研究階段，還沒能應(yīng)用于實(shí)際中，但就目前對(duì)石墨烯的研究表明：石墨烯的高導(dǎo)電、透明度高、載流子遷移率快，高比表面積、高力學(xué)強(qiáng)度等性質(zhì)對(duì)我們的生活將會(huì)帶來翻天覆地的變化，相信我們的明天會(huì)因石墨烯而更加光明。  石墨烯簡(jiǎn)介：     石墨烯就碳原子緊密堆積成單層二

3、維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是單層石墨。我們?nèi)粘Ｉ钏姷氖褪嵌鄬拥?，所以可通過石墨來制備石墨烯。其發(fā)展歷程是：     1934年 朗道 和佩爾斯指出準(zhǔn)二晶體材料由于其自身的熱力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其在常溫常壓下會(huì)迅速分解。    1947年，菲利普 華萊士開始研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)并指出其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。    1987年穆拉斯首次用“graphene”來指單層石墨片。    2004

4、0;年 安德烈.海姆 和康斯坦丁.諾沃肖洛夫用膠帶分離法制得石墨烯。 可見石墨烯的研究已經(jīng)有八十左右年，但是在2004年之前，世人都認(rèn)為二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)根本不穩(wěn)定，所以很少有人去研究?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅在空氣中很穩(wěn)定，而且還具有非常多優(yōu)良的性質(zhì)。   石墨烯的應(yīng)用：將分別按照其特性來介紹其應(yīng)用。  極高吸附能力：由于石墨烯具有極高的比表面積，其吸附性表現(xiàn)的非常好，是目前已知吸附能力最高的材料。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯表面進(jìn)行磺酸基功能化處理,不但可以提高石墨烯的分散性,這種功能化石墨烯對(duì)萘和萘酚的吸附能力達(dá)到了每克2.4毫摩爾

5、,是目前吸附能力最高的材料可以用于凈化水，比目前常用的活性炭效果要好很多倍，對(duì)石墨烯表面修飾其它基團(tuán)對(duì)吸附有機(jī)質(zhì)與重金屬離子也具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)；在檢測(cè)氣體是具有很低的噪聲信號(hào)，可以精確的探測(cè)單個(gè)氣體分子，這也使之在化學(xué)傳感器和分子探針方面有潛在的應(yīng)用前景，美國科學(xué)家研究出一款只有郵票大小的石墨烯傳感器，其具有對(duì)氨水和二氧化氮就有非常靈敏的吸收檢測(cè)功能，可用于炸彈檢測(cè)，并且可重復(fù)使用；此外在儲(chǔ)氫方面具有比合金優(yōu)良的多的性能，有望用于下一代儲(chǔ)氫材料，這對(duì)于氫動(dòng)力汽車行業(yè)來說無疑是絕好消息。  極高的力學(xué)強(qiáng)度：其不僅力學(xué)強(qiáng)度高，而且密度度很小，超堅(jiān)韌的如果物理學(xué)家們能制取出厚度

6、相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，它將能承受大約兩噸重的物品。在航天航空、防彈衣，和“太空電梯”的纜線、風(fēng)力發(fā)電等需要高強(qiáng)度重量輕的這些領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。如石墨烯的強(qiáng)度超出鋼鐵數(shù)十倍有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料，可以很大的提高飛機(jī)的載重能力；摻雜了石墨烯防彈衣，可以做的跟普通衣物一樣輕薄，對(duì)于軍隊(duì)來說將是一個(gè)減少傷亡的很好方法；美國家日前首次制造出碳納米管增強(qiáng)聚氨酯風(fēng)電葉片。與傳統(tǒng)材料相比，該材料重量輕、強(qiáng)度大、耐久性好，如果用摻雜石墨烯的話，效果會(huì)更好。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，更有效地利用風(fēng)電資源，不少工程師和科學(xué)家都在致力于制造出更好的風(fēng)電葉片以

7、提高風(fēng)力渦輪機(jī)的效率。按說只要增大葉片面積就能捕獲更多的風(fēng)能，但事情并非這么簡(jiǎn)單。如果葉片過重，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就需要更大的風(fēng)力，這意味著更多的風(fēng)力被浪費(fèi)在了推動(dòng)轉(zhuǎn)子上而非發(fā)電。因此，更輕、更大、更結(jié)實(shí)耐用的葉片才是最佳選擇。所以用石墨烯來制造風(fēng)力發(fā)電葉片，將可以很大的提高風(fēng)力發(fā)電的效率，使風(fēng)力發(fā)電的大范圍推廣成為可能。  透明導(dǎo)電：石墨烯既透明又導(dǎo)電的特點(diǎn)，使得它作為透明導(dǎo)電膜的潛力非常大，而透明導(dǎo)電膜正是觸摸屏和LED顯示屏的重要組成部分。     透明導(dǎo)電薄膜 ( TCFs，transparent

8、60;conductingfilms) 是指在可見光區(qū)( = 380 780nm) 有較高的透光率( Tavg 大于 80% ) ， 并且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，電阻率可以達(dá)到 105 歐姆每米以下的薄膜材料 透明導(dǎo)電薄膜是許多光電子器件的重組成部分， 例如液晶顯示器( LCD)、有機(jī)太陽能電池、有機(jī)發(fā)光二極管( OLED) 、 智能窗等銦錫氧化物( ITO) 由于其高電導(dǎo)率和高透光率，已經(jīng)成

9、為透明導(dǎo)電薄膜的主要材料。然而 ITO 在使用過程中也存在一些缺點(diǎn)，包括: ( 1) 銦的價(jià)格持續(xù)上漲， 使得 ITO 成為日益昂貴的材料，( 2) ITO 脆的性質(zhì)使其不能滿足一些新應(yīng)用( 例如可彎曲的 LCD 有機(jī)太陽能電池) 的性能要求，( 3) ITO 的制備方法( 例如噴鍍 蒸發(fā) 脈沖激光沉積 電鍍) 費(fèi)用高昂。再加上電視機(jī)的彩色需要用到稀土發(fā)光材料，由于稀

10、土的開發(fā)嚴(yán)重污染環(huán)境，且國外缺少稀土資源，所以一直在尋找替代品。由此我們可以看出石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。目前，三星科學(xué)家首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的25英寸的柔性透明觸摸屏，表明石墨烯在此方面的良好應(yīng)用前景。    此外石墨烯透明導(dǎo)電的性質(zhì)還使它可以作為太陽能電池透明電極材料，能提高太陽能電池的發(fā)電效率。  比表面積巨大：石墨烯是單層碳原子，其比表面積巨大，有幾噸的石墨烯便可以將地球鋪滿。巨大地比表面積且導(dǎo)電性能，使之成為充電電池的救星。  

11、60;  電動(dòng)力汽車之所以到現(xiàn)在還沒有廣泛應(yīng)用，就是因?yàn)殡姵氐哪芰績(jī)?chǔ)存密度低與充電性能的問題。由于石墨烯的巨大比表面積，能夠使電池具有很高的儲(chǔ)能密度，而且由于其陰陽兩極面積巨大，可以使電池在短短幾分鐘甚至是幾秒內(nèi)邊完下載文檔到電腦，查找使用更方便2下載券  65人已下載下載還剩2頁未讀，繼續(xù)閱讀成充電。有科學(xué)研究表明，用石墨烯制出的電池理論上是現(xiàn)有鋰電池同體積下容量的數(shù)十倍，而且由于石墨烯的導(dǎo)電性能優(yōu)異，比銀還要好，電子在石墨烯上運(yùn)動(dòng)能量幾乎不損耗。電池工作時(shí)幾乎不發(fā)熱，這使得電池更加耐用。     美國

12、俄亥俄州Nanotek儀器公司研制出新儲(chǔ)能設(shè)備又稱為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡(jiǎn)稱為表面介導(dǎo)電池（SMCS），它集中了鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具高功率密度和高能量?jī)?chǔ)存密度的特性。所以我們可以暢想我們未來的汽車充電速度比現(xiàn)在加油還要快。我們的手機(jī)充一次電，可以用一個(gè)月之久。但是我們目前遇到的情況是，電池充電的循環(huán)次數(shù)還不能夠保證，這主要是石墨烯表面添加基團(tuán)的修飾問題。      極高的載流子遷移速度：硅的載流子遷移率僅為10002000cm2/Vs，而石墨烯的這個(gè)指標(biāo)能夠達(dá)到幾十萬甚至上百萬，是迄今發(fā)現(xiàn)的載流子遷移率最高的物質(zhì)之

13、一。這一特性意味著一旦石墨烯能夠取代或部分取代硅，計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行速度有望達(dá)到100GHZ甚至1000GHZ。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。但是，目前研究表明不可能用石墨烯完全取代硅做電子器件，但是部分取代是可以的，也就是摻雜石墨烯。摻雜石墨烯也可以很大的提升CPU的運(yùn)行速度，而且他的體積更小，功耗更低。,此外美國科學(xué)家還建造出一款能打開或關(guān)閉光的光調(diào)制器( 調(diào)制器是控制數(shù)據(jù)傳輸速度的關(guān)鍵) , 其調(diào)制速

14、度目前為1吉赫( 千兆赫)，是目前調(diào)制解調(diào)器傳輸速度的百倍。未來我們將一部高清的三維電影搬到我們的智能手機(jī)只需一兩秒的情景指日可待。  總結(jié)：除上述應(yīng)用之外，石墨烯在很多領(lǐng)域都有很大的、很有前景的應(yīng)用。如在醫(yī)學(xué)上，細(xì)菌在石墨烯上不能生長(zhǎng)，所以可制造石墨烯防菌紗布；還有就是石墨烯在藥物輸運(yùn)，細(xì)胞成像，腫瘤治療，生物檢測(cè)等方面都發(fā)現(xiàn)具有很好的用途。從石墨烯的誕生到現(xiàn)在才短短的八年時(shí)間，雖然還沒有一項(xiàng)應(yīng)用投入與實(shí)際，但是這也已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)迅速了。石墨烯，不愧是材料之王。     現(xiàn)在石墨烯很熱，不僅在研究方面，論文發(fā)表如雨后春筍。甚至在股市，也有人炒，在國內(nèi)，凡是跟石墨烯沾邊的上市公司，即使在股市低迷時(shí)期，仍然輪番飆漲。但是沒有一家公司能夠?qū)⑸a(chǎn)出能投入于實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。其實(shí)石墨烯下游應(yīng)用技術(shù)才是國內(nèi)外最大的差距所在，也是我們