【科普知識】石墨烯的應用前景

2020-11-22 澎湃新聞

【科普知識】石墨烯的應用前景

2020-06-30 04:08 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

自2004年第一次製備得到獨立的單層石墨烯以來，眾多科學家展開了對石墨烯的研究，石墨烯已經成為材料及凝聚態物理領域一顆閃耀的新星。石墨烯以其非凡的性質在多個領域都展現出廣闊的應用前景。

複合材料

石墨烯由於具有極高的力學性能和電學性能，在作為聚合物基體的增強功能化添加劑方面被認為據有廣泛的研究前景。石墨烯的添加不僅有利於聚合物基體電性能，熱傳導性能的改善，對於提高玻璃化轉變溫度，改善複合材料力學性能也具有重大意義。

納電子器件領域

2005年，研究人員發現，室溫下石墨烯具有10倍於商用矽片的高載流子遷移率(約10cm/V·s)，並且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達0.3m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助於進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。此外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環同樣保持很好的穩定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。

代替矽生產超級計算機

石墨烯是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合於高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，由於工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，電路中的工作頻率越高，熱量也越高，於是，高頻的提升便受到很大的限制。由於石墨烯的出現，高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是矽的替代品，能用來生產未來的超級計算機。

超級電容器

由於石墨烯具有極高的理論比表面積，結構上屬於獨立存在的單層石墨晶體材料，故石墨烯片層的兩邊均可以負極電荷形成雙電層。通過化學法製備的石墨烯由於結構的不穩定性以及潛在的官能團容易形成宏觀聚集體，石墨烯片層之間互相雜亂堆疊分布，導致有效雙電層的面積減少。解決其宏觀條件下的團聚使其表面積得到有效增加，有可能獲得高於多孔炭的比電容。由於石墨烯片層所特有的皺褶以及疊加效果，可以形成的納米孔道和納米空穴，有利於電解液的擴散，因此石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性。

太陽能電池

2010年，研究人員首次將石墨烯覆蓋在傳統的單晶矽材料上，研究發現其具有優異的光電轉換性能。這樣一個簡易的太陽能電池模型，經過優化提升後光電轉換效率可以達到10%以上。石墨烯-矽模型還可以進一步拓展為石墨烯與其它半導體材料的結構。這種可以將石墨烯與傳統材料結合的模型，對石墨烯的實際應用具有重要的推動作用。

光子傳感器

石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用於檢測光纖中攜帶的信息的，這個角色一直由矽擔當，但矽的時代似乎將要結束。研究小組首次披露了他們研製的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基於石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它製造的電板比其它材料具有更優良的透光性。

基因電子測序

由於導電的石墨烯的厚度小於DNA鏈中相鄰鹼基之間的距離以及DNA四種鹼基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。

儲氫

石墨烯與碳納米管結合可以形成三維網絡結構用於儲氫，通過計算方法得知在摻雜鋰離子的情況下，其常壓儲氫能力可以達到41g/L。Ghosh等人利用剝離氧化石墨並進行納米鑽石轉換得到的材料在一個大氣壓下，77K可以吸附1.7%的氣體。氫氣吸附量隨表面的改變呈現線性變化。在100個大氣壓，298K條件下吸附量可以達到甚至超過3%，表明單層石墨烯具有更大的儲氫量。

其它應用

石墨烯還可以應用於電晶體、觸控螢幕等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。

中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用這一特點石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤。

用石墨烯做的光電化學電池可以取代基於金屬的有機發光二極體，石墨烯還可以取代燈具上的傳統金屬石墨電極，使之更易於回收。

石墨烯不僅可以用來開發製造出紙片般薄的超輕型飛機材料、製造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的2.3萬英裡長太空電梯成為現實。

石墨烯的主要應用領域

參考來源：

許士才：石墨烯的製備、表徵及光電性質應用研究

郭鵬：石墨烯的製備、組裝及應用研究

文章來源：石墨烯網

原標題：《【科普知識】石墨烯的應用前景》

閱讀原文

特別聲明

本文為澎湃號作者或機構在澎湃新聞上傳並發布，僅代表該作者或機構觀點，不代表澎湃新聞的觀點或立場，澎湃新聞僅提供信息發布平臺。申請澎湃號請用電腦訪問http://renzheng.thepaper.cn。

評論（）

相關焦點

  • 「石墨烯之父」:新材料石墨烯應用前景廣泛
    歐惠蘭　攝中新網桂林10月25日電(歐惠蘭)「石墨烯之父」英國曼徹斯特大學教授、諾貝爾物理學獎獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselow)日前在廣西桂林表示，新型材料石墨烯的應用前景廣泛，在可穿戴設備、新能源汽車、橡膠、大健康產業等方面應用前景廣泛。
  • 石墨烯材料在鋰電池中的應用與前景
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】通過對石墨烯結構、性能的分析，簡要地分析總結了石墨烯在鋰離子電池正極材料、負極材料等方面的應用，從而分析目前石墨烯材料的優勢發揮和重點的研究方向，並對石墨烯在鋰離子電池領域的應用前景進行一定的展望。
  • AFM:石墨烯和多孔石墨烯材料的化學及其應用前景
    石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道構成六角型蜂巢狀晶格的二維碳納米材料，具有高比表面積、高楊氏模量、高電子遷移率和優異導熱率等理化性質。石墨烯是我國「十三五」重點發展新材料之一，被列為先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料，在新能源、國家安全、航空航天、信息技術等領域具有重要應用前景。
  • 除了石墨烯發熱應用,看看未來石墨烯前景無限的應用領域
    近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發熱膜以及射頻識別技術等行業中應用越來越廣泛。過去數十年，導電油墨最大的下遊是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應用也將同時保持增長。石墨烯的應用——防腐塗料目前國內防腐塗料消費量近180萬噸，佔世界防腐塗料總消費量的40%以上。
  • 石墨烯小知識之石墨烯在農業中的應用
    石墨烯在生物醫藥、電子器件、電池電容器、航空航天以及軍工等眾多領域具有廣闊的應用前景，隨著石墨烯相關產業的不斷發展，石墨烯在農業中的應用研究也不斷被挖掘，科學成果逐漸走進人們的視野，惠及百姓日常生活。石墨烯在農業中的應用範圍非常廣，涵蓋了傳感器、農藥、肥料、保鮮劑、吸附劑、電熱膜/板以及塑料薄膜等方面，具體應用如下：一、石墨烯傳感器可用於採集空氣溫溼度、土壤溫溼度等周邊環境參數，形成優化生長環境和生長方法的關鍵信息，滿足智慧農田的管理需求；將多孔石墨烯材料用於修飾工作電極，構建電化學酶生物傳感器，用於檢測農藥殘留，保障農產品食用安全
  • 科普知識 | 什麼是石墨烯？
    石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
  • 故都科技:石墨烯材料在鋰電池中的應用與前景!
    通過對石墨烯結構、性能的分析，簡要地分析總結了石墨烯在鋰離子電池正極材料、負極材料等方面的應用，從而分析目前石墨烯材料的優勢發揮和重點的研究方向，並對石墨烯在鋰離子電池領域的應用前景進行一定的展望。
  • 科學家發表石墨烯和孔石墨烯材料的化學和應用前景研究進展綜述文章
    近日，中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠帥和中國科學院金屬研究所、清華-伯克利深圳學院成會明合作，應邀發表題為《石墨烯和孔石墨烯材料的化學和應用前景》（The Chemistry and Promising Applications of Graphene and Porous Graphene Materials
  • 前景繼續提高中 石墨烯各種應用的可行性解讀
    近年來，石墨烯（第一種二維原子晶體）研究取得了許多突破，石墨烯的大量製備也取得了顯著的進展。這種一個原子厚度的碳材料集超高的機械強度、電導率、熱導率和抗滲性等諸多優異性能於一身，這使得其在許多領域中都有誘人的應用前景。因在石墨烯材料方面的卓越研究榮獲2010年諾貝爾物理學獎的K. S.
  • 石墨烯材料應用前景研究進展到底怎麼樣了？聽科學家怎麼說
    石墨烯的應用前景毋庸置疑。目前已經被世界公認為最有可能改變未來的革命性材料。在2010年英國兩位科學家因發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎之後，石墨烯更是名聲大噪。這種材料也掀起了在世界範圍內的研發熱潮。對於如何將這種材料應用化，真正給人們的生活帶來便利，這是整個石墨烯行業所要面臨的巨大問題。
  • 【科普知識】石墨烯/高分子複合材料製備的三種方法特點
    【科普知識】石墨烯/高分子複合材料製備的三種方法特點 2021-01-06 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 石墨烯的應用,石墨烯應用的方面
    那麼石墨烯是什麼了?石墨烯的作用是什麼了?　　石墨烯的應用--導電油墨是用導電材料製成的油墨，具有一定程度導電質，可作為印刷導電點或導電線路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發熱膜以及射頻識別技術等行業中應用越來越廣泛。過去數十年，導電油墨最大的下遊是太陽能電池以及顯示器件。
  • 【行業動態】高功能化石墨烯3D列印材料誕生,具有良好的應用前景
    【行業動態】高功能化石墨烯3D列印材料誕生,具有良好的應用前景 2020-09-07 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 2020年我國石墨烯行業進入快速發展期 光電等五大領域應用前景良好
    ；中遊為石墨烯產品，以石墨烯粉體和石墨烯薄膜為主；下遊應用領域廣泛，主要為鋰電池、複合材料、觸控屏等領域。 得益於應用潛力十足，我國政府對於石墨烯產業的規劃明確，在總體發展、技術創新、產業化促進、綠色低碳與應用領域拓展五大方面提出明確發展目標。
  • 石墨烯應用概述
    [1]許士才, 石墨烯的製備、表徵及光電性質應用研究[D]. 山東師範大學, 2014. [2]陳武峰, 石墨烯材料的化學調控、組裝及其性能研究[D]. 中國科學技術大學, 2014. [3]吳志乾. 石墨烯及二維半導體異質光電器件研究[D]. 浙江大學, 2019.[4]呂曉麗, 肖榮林, 李克倫, 蘇豔敏, 吳浩波, 王文婧, 馬衛平, 張文發.
  • 石墨烯發展前景如何?2020石墨烯市場發展現狀調查
    2019年6月，杭州高烯科技有限公司建成全球首條紡絲級單層氧化石墨烯十噸生產線並試車成功，所產單層氧化石墨烯及其應用產品——多功能石墨烯複合纖維獲得國際石墨烯產品認證中心(IGCC)產品認證，標誌著我國石墨烯改性纖維材料的產業化步入了一個新階段，市場規模繼續擴大。
  • 中國科學家創新的實驗方法揭示了石墨烯的全新物理特性和應用前景
    石墨也因此表現出質地較軟且有滑膩感的特性，不僅能用來寫字，還能做潤滑材料，同時科學家們利用石墨材料較好的耐腐蝕性、導電性與導熱性等，在產業界展開廣泛應用。而碳原子的神奇之處在於，不同的排列組合能形成屬性截然不同的材料。例如在極高壓力下，每個碳原子會以四面體狀與另外四個碳原子鍵合，形成一個三維密鋪網狀結構，這種結構的結晶便是具備較高透明度和超強硬度的鑽石，與石墨相比也變成了不導電材質。
  • 石墨烯四大應用領域全解讀
    石墨烯(Graphene)又稱單層墨，是一種新型的二維納米材料，是目前發現的硬度最高、韌性最強的納米材料。因其特殊納米結構和優異的物理化學性能，石墨烯在電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等領域應用前景廣闊，被公認為21世紀的「未來材料」和「革命性材料」。
  • 石墨烯材料的應用
    石墨烯是一種革命性的材料，其應用隨著相關研究的深入不斷拓展。1柔性石墨烯電晶體石墨烯電晶體是一種單電子納米器件。這種電晶體自研發伊始便受到市場極大關注，目前已有部分柔性石墨烯電晶體被應用。石墨烯電晶體的主要優點是室溫下易操作，同時具有低電壓、高靈敏度等特點。這些特性使得石墨烯電晶體優於矽電晶體，同時也推動了微晶片技術的發展。此外，由於石墨烯的固有特性，這種電晶體具有極高的靈活性和可摺疊性。值得注意的是，儘管電子在石墨烯電晶體中的電子遷移率方面比矽電晶體好。
  • 石墨烯六大應用領域全面分析
    石墨烯是已知的最薄的一種材料，並且具有極高的比表面積、超強的導電性和強度等優點。上述優點的存在是其擁有良好的市場前景。 領域一：導電油墨 導電油墨是用導電材料製成的油墨，具有一定程度導電質，可作為印刷導電點或導電線路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發熱膜以及射頻識別技術等行業中應用越來越廣泛。