石墨烯材料研究進(jìn)展與應(yīng)用

1、石墨烯材料研究進(jìn)展與應(yīng)用4000 BC, China4000 BC, SE Euroceramic paintfuel400 BC, Indiagemstone1985, USA1996, Nobel ChemistryHarold KrotoRobert CurlRichard Smalley1991, NEC JapanSumio Iijima2004, Manchester UK2010, Nobel PhysicsAndre Geim & Konstantin Novoselov“Hall Effect of Graphene”! With Only 6 Years Old !Kons

2、tantin Novoselov (left) and Andre Geim (right) at a 2010 Nobel Prize press conferenceAndre Geim 2000 Ig Nobel Physics Prize2010年生物學(xué)獎(jiǎng)廣東昆蟲研究所生物學(xué)家因果蝠口交研究而獲得了本年度的搞笑諾貝爾生物學(xué)獎(jiǎng)，他們通過紅外攝像機(jī)拍攝蝙蝠夜晚活動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)短鼻果蝠利用口交延長交配時(shí)間什么是石墨烯?Graphene is a one-atom-thick layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice. It is t

3、he building-block of graphite (which is used, among others things, in pencil tips), but graphene is a remarkable substance on its own with a multitude of astonishing properties, which repeatedly earn it the title “wonder material”.“單原子層厚度材料 ” “石墨的構(gòu)筑基元 ” “神奇材料”如何制備石墨烯? 物理法（“自上而下”制備策略）以石墨或石墨插層化合物（GICs

4、）為原料，采用物理剝離的方法制備單層石墨烯/少數(shù)層石墨烯 微機(jī)械剝離膠帶法機(jī)械剪切法探頭式 液相剝離超聲波法水浴式均質(zhì)器流體動(dòng)力學(xué)法破壁機(jī)高壓均質(zhì)機(jī)Graphite鉀插層石墨化合物 KC8 球磨剝離濕法球磨干法球磨 超臨界流體（SCF）剝離 化學(xué)法（“自下而上”制備策略）以小分子或高分子有機(jī)化合物為碳源，采用化學(xué)合成的方法制備單層石墨烯/少數(shù)層石墨烯 化學(xué)氣相沉積法（CVD） 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)高質(zhì)量、大面積石墨烯薄膜最 具潛力的方法； 工藝流程：將碳?xì)浠衔铮ㄈ缂淄榈龋┩?入到高溫加熱的金屬基底 （如Cu等）表面， 反應(yīng)持續(xù)一定時(shí)間后冷卻，冷卻過程中在 基底表面便會(huì)形成數(shù)層或單層石墨烯.2013中科

5、院重慶綠色智能技術(shù)研究院15 inch2010三星&成均館大學(xué)30 inch 外延生長法 碳化硅(SiC)外延生長法 高溫加熱SiC單晶，使得SiC表面的Si原子被 蒸發(fā)脫離表面，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，生成基于SiC襯底 的石墨烯 金屬催化外延生長法 在超高真空條件下將碳源氣體通入到具有催化 活性的過渡金屬基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通過加熱使吸附氣體 催化脫氫從而制得石墨烯 氧化石墨烯還原法石墨烯的性能 力學(xué)性能 硬度最強(qiáng)硬的二維材料，比同尺寸的鋼和鉆石都要強(qiáng)硬很多；彈簧常數(shù)（K）高達(dá)50eV/2. 拉伸性能拉伸強(qiáng)度 130 Gpa，是高強(qiáng)鋼的100多倍；拉伸（楊氏）模量 1

6、.0 Tpa；斷裂伸長率 最耐拉伸晶體，拉伸20%后仍不斷裂.碳原子線 線型碳（carbyne） 光學(xué)性能 光學(xué)聲子頻率 在所有已知材料中最高 0 1600 cm-1/0.2 eV; 吸光度 在很寬的波長范圍內(nèi)，吸光度僅有2.3%，即高透明性；當(dāng) 入射光強(qiáng)超過某一臨界值時(shí)，吸光度會(huì)達(dá)到飽和； 光學(xué)響應(yīng)頻率 有外磁場時(shí)，可調(diào)諧至太赫茲范圍.可用于制備被動(dòng)鎖模激光器曹原，MIT博士生，21歲2018/3/5，Nature， 2篇；兩層石墨烯扭曲1.1度“魔角”并冷卻至1.7 K，呈現(xiàn)出超導(dǎo)性. 電學(xué)性能 載流子遷移率 2.5105 cm2/(V.s) 低溫，1.5104 cm2/(V.s) 室溫；

7、 電導(dǎo)率 108 S/m； 零帶隙 限制了石墨烯在半導(dǎo)體材料相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用； 超導(dǎo)性 其它電學(xué)性能/電子效應(yīng) 具有室溫量子霍爾效應(yīng)、雙極性電場 效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng)等，這使得石墨烯在電子器件等領(lǐng)域具 有重要應(yīng)用. 熱學(xué)性能 熱導(dǎo)率 各向同性熱導(dǎo)體，5000 W/m/k; 熔點(diǎn) 5000 K； 熱穩(wěn)定性 真空環(huán)境可耐溫至2800 oC，空氣中700oC （CNT）. 其它性能 低密度 0.77 mg/m2 高防滲性 即使是氦原子也不能透過單層石墨烯 超高比表面積 高達(dá)2600 m2/g 石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域 環(huán)保領(lǐng)域 污染物吸附與過濾、海水淡化 電子電氣領(lǐng)域 晶體管、傳感器、替代硅的芯片材料、柔性

8、 顯示屏（可穿戴設(shè)備） 光學(xué)領(lǐng)域 新型感光元件 能源領(lǐng)域 新能源電池、儲(chǔ)氫 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 細(xì)胞成像、組織工程、干細(xì)胞工程、生物傳 感器 航空航天領(lǐng)域 航天傳感器、超輕型飛機(jī)用復(fù)合材料 復(fù)合材料領(lǐng)域 多功能聚合物復(fù)合材料、高強(qiáng)度陶瓷材料 化學(xué)催化領(lǐng)域 催化劑載體 太空電梯 “太空電梯”工作原理圖Graphene-based Cable應(yīng) 用 示 例 石墨烯燈泡2019.08國防科大厚度最薄的燈泡 - 0.34 nm44的石墨烯發(fā)光陣列器件;可有效控制石墨烯燈泡的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)梯度發(fā)光；有望應(yīng)用于高分辨率的柔性顯示和成像領(lǐng)域. 柔性顯示屏2010年 韓國三星，3.1電阻觸控屏； 2013年 中科院

9、重慶綠色智能技術(shù)研 究院，7柔性電阻觸控屏；2014年 劍橋大學(xué)& Plastic Logic，首 個(gè)柔性顯示屏2015年 重慶，全球首批3萬部5.5量 產(chǎn)石墨烯手機(jī)面世；2016年 廣州奧翼，世界首次研發(fā)成 “石墨烯電子紙顯示屏”；2018年 韓國電子通信研究院，開發(fā) 成功一種基于透明石墨烯電 極的柔性O(shè)LED面板.首個(gè)柔性顯示屏石墨烯手機(jī)石墨烯電子紙顯示屏石墨烯OLED 鋁電池正極材料經(jīng)250,000次沖/放電循環(huán)后，在400 A/g的超高電流密度下（1.1 s內(nèi)完成充電），電池仍保有約120 mAh/g的高比容量;在循環(huán)壽命和倍率性能上超過以往所有電池;該電池能在-40120 oC寬溫度

10、范圍內(nèi)正常工作，也能在彎曲10,000次后正常工作. 光電探測(cè)器 性能 以50 GHz的運(yùn)行速率， 實(shí)現(xiàn)從可見光區(qū)至紅外 光區(qū) ( 0.6A/W0.8m 11.5A/W20m) 的 高響應(yīng)度光檢測(cè)； 應(yīng)用 可擴(kuò)大在成像和傳感系 統(tǒng)中的應(yīng)用范圍和潛在 用途； 可顯著改善夜間熱成像 或醫(yī)療診斷應(yīng)用； 可用于環(huán)境傳感技術(shù)， 以更準(zhǔn)確地識(shí)別污染物 濃度. 藥物輸運(yùn)AuNP 可加速透過細(xì)胞膜;DOX 阿霉素，抗癌藥物；HepG2 肝癌細(xì)胞；DOX alone DOXGNC-RGODOX alone did not distribute well in the cells.DOX loaded on GNC-RGO was well-distributed inside the cells. 復(fù)合材料 抗靜電復(fù)合材料 電磁屏蔽復(fù)合材料PS microsphereGPS microspherePS/G nanocomposite世界各國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局2014-2025年全球石墨烯石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模前瞻2010-2017年全球石墨烯相關(guān)論文與專利統(tǒng)計(jì)（2006年）中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局 2012年 工信部發(fā)布新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，首次 明確要積極開發(fā)石墨烯等納米材料； 2015.05 國務(wù)院印發(fā)中國