環(huán)境材料-石墨烯-模版

石墨烯

—世界上最薄最堅硬的納米材料目錄12345石墨烯發(fā)現及簡介石墨烯特性石墨烯制備及產業(yè)化石墨烯利用前景石墨烯對人類和環(huán)境的潛在影響石墨烯發(fā)現及簡介石墨烯〔Graphene〕由碳原子以sp2雜化軌道組成由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜一個碳原子厚度二維材料根本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中別離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗〞為由，共同獲得2021年諾貝爾物理學獎。石墨烯發(fā)現及簡介AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯發(fā)現及簡介石墨烯的同素異形體富勒烯納米管石墨單層石墨烯翹曲成零維卷成一維堆垛成三維石墨烯發(fā)現及簡介AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯特性強度高電阻率低導熱系數高透光性好room-temperatureelectronmobilityof2.5?×?105?cm2?V?1?s?1aYoung’smodulusof1?TPaandintrinsicstrengthof130?GPaveryhighthermalconductivity，above3000?W?mK?1opticalabsorptionofexactlyπα?≈?2.3%completeimpermeabilitytoanygasesabilitytosustainextremelyhighdensitiesofelectriccurrentReadilychemicallyfunctionalizedKSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光制成厚度相當塑料包裝袋厚度的薄膜，能承受兩噸重物電子遷移速率快，到達光速的1/300導熱系數高達；導熱系數高達5300W/〔m·K〕結構穩(wěn)定外部機械力使碳原子面彎曲，原子不必重新排列來適應外力石墨烯特性雙電極電場效應手性量子霍爾效應石墨烯電學性能

AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)石墨烯制備及產業(yè)化液相剝離液相剝離〔Liquid-phaseexfoliation〕：將少量的石墨分散于具有外表張力的溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。質量高、產率低?；瘜W氣相沉積化學氣相沉積〔Chemicalvapordeposition，CVD〕：以單晶鎳為基片的管狀簡易沉積爐，通入含碳氣體，其在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的外表，形成石墨烯，通過輕微的化學刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片別離得到石墨烯薄膜。本錢高、工藝復雜。SiC合成SiC合成法〔SynthesisonSiC〕：將經氧氣或氫氣刻蝕處理得到的SiC在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物，然后使樣品升溫至1000℃以上，Si升華形成石墨烯。本錢高、操作溫度過高。石墨烯制備及產業(yè)化機械分離機械別離〔Mechanicalexfoliation〕：最普通的是微機械別離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來，如用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進行摩擦，體相石墨的外表會產生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。產率低、僅供實驗研究。氧化還原法氧化復原〔Oxidation-reduction〕：將天然石墨與強酸和強氧化性物質反響生成氧化石墨(GO)，經過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，然后參加復原劑去除氧化石墨外表的含氧基團，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。宏量制備產生廢液污染、石墨烯品質不高存在缺陷。取向附生法取向附生〔Epitaxy〕：讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻到850℃，之前吸收的大量碳原子就會“浮〞到釕外表，鏡片形狀的單層碳原子“孤島〞布滿整個基質外表，最終生長成完整的一層石墨烯。本錢高、厚度不均勻。石墨烯制備及產業(yè)化KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)石墨烯利用前景石墨烯利用前景KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)Grapheneelectronics中等品位的石墨烯：觸屏、可折疊電子紙、可折疊有機發(fā)光二極管〔LED燈〕高品位的石墨烯：高頻晶體管、邏輯晶體管、薄膜晶體管石墨烯利用前景石墨烯利用前景KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)Photonics光學偏振控制器、光電探測器、光調制器、鎖模激光、太赫茲發(fā)生器等石墨烯利用前景Energygenerationandstoragesupercapacitor超級電容器固有的優(yōu)異導電性能具備孔結構耐高溫抗氧化過程高外表積的石墨烯電極用膜隔開；充電時，電解質中陰離子〔白球和藍色球〕和陽離子〔紅色球〕在石墨烯外表附近積累，形成雙電層太陽能電池鋰離子電池超級電容器石墨烯利用前景Grapheneforsensorsandmetrology諾基亞石墨烯光電傳感器石墨烯對環(huán)境變化極為敏感帶有石墨烯光電收集層的光電探測器，由一系列手指狀的電極被安置在石墨烯收集層上，用來收集光子透過時產生的電子空洞，石墨烯納米帶作為場效應晶體管對隨之產生的電流進行放大，并將其轉移到相連的電子控制元件上。多層探測和放大層被互相疊放，以此來吸收和過濾相應顏色的光。石墨烯利用前景Bioapplications基因測序藥物傳遞用石墨烯制成一個尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子從中通過，測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道是哪一個堿基正在通過納米洞。通過調整石墨烯的親水親脂性能，使其與生物膜之間可以良好交互作用，到達藥物傳遞目的。石墨烯利用前景OtherUses抗菌效用海水淡化石墨烯過濾器遠優(yōu)于其它海水淡化技術，與水分子分解發(fā)電技術結合，水、電可成為廉價產品石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞涂料石墨烯基涂料可用于導電油墨，抗靜電，電磁干擾屏蔽，和氣體阻隔的應用多孔材料物理研究“碳海綿〞具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量，幫助物理學家在量子力學領域取得新突破石墨烯對人類和環(huán)境的潛在影響

石墨烯對人類和環(huán)境的潛在影響石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強勁，能夠切開人體細胞并破壞其內容物。石墨烯材料與人體細胞如何作用并不清楚。當石墨烯被釋放到地表水中時，它的硬度會增大，吸附的的有機材料也更少，它很快就會變得不穩(wěn)定，既不能發(fā)生沉淀，也不能隨水的流動而被帶走?！緟⒖嘉墨I】TheRiseofGraphene.AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials6,183-191(2007)ARoadMapforGraphene.KSNovoselovetal.Nature490,192-200(2021)