未來可期!石墨烯納米材料應用

2021-02-15 石墨烯研究院

石墨烯是各種形態石墨材料的母體，既可以捲曲形成零維的富勒烯和一維的碳納米管，也可以堆疊形成三維的石墨。根據碳原子層數的不同，石墨烯可以分為單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯，多層石墨烯的碳原子層數一般不超過10 層石墨烯納米材料包括石墨烯和氧化石墨烯(graphene oxide，GO)以及石墨烯的各種衍生物。

作為一種新型的納米材料，石墨烯在光學、電學、力學、化學等方面均具有獨特且優異的性能。石墨烯的單層碳原子結構使其具有很高的比表面積優良的導電性能，以及導熱性能(熱傳導速率可達 5000 W/(m·K))。同時其具有很高的強度和韌性，力學性能十分優異，楊氏模量可達 1.0Tpa。在化學方面，石墨烯也具有優異的性能，包括強疏水性、強化學穩定性、高通用性以及高可調性等。此外，由於具有穩定的正六邊形晶格結構，石墨烯還具有室溫量子隧道效應和室溫量子霍爾效應。由於具有這些獨特的性能，石墨烯納米材料在能源科學、材料學、環境保護以及生物醫學等領域均具有廣闊的應用前景。

石墨烯由於比表面積較大、導電性能和力學性能優異，可以用於製作超級電容器和太陽能電池同時，石墨烯優異的電學性能和化學性能使其在電極材料和電池材料的製作中廣泛應用，使用石墨烯改進鋰離子電池的儲電性能是當前研究的熱門領域。此外，石墨烯還可以作為催化劑用於燃料電池，以及作為吸附劑用於儲氫材料的研製。

由於在光學、電學、力學、化學等各方面的優異表現，石墨烯可以用於很多種材料的製作或改良，例如製作半導體器件、顯示器、超高性能的晶片、高分子複合材料、導電塗料以及電池電極材料。此外，石墨烯複合材料也是當前研究的熱門領域．以石墨烯為基礎的各種複合材料在不同方面對其性能進行了改良，因而具有更加廣泛的應用前景。

在環境領域，一方面石墨烯作為一種相對環保的材料可以直接替代那些汙染較重的材料，減少環境汙染尤其是石墨烯作為新型材料在能源領域的應用，既可以提高能源的利用效率，又可以代替某些高汙染的材料，對節能減排具有重要貢獻。同時，其在環境汙染治理和檢測方面也有重要應用，經過改性的石墨烯材料具有良好的吸附性能和催化性能，已被用於海水淡化和汙水處理。

由於具有超高的比表面積和表面活性，經過表面修飾的石墨烯可作為有效的藥物載體進行藥物輸送，在提高載藥量的同時實現靶向輸送和藥物的控釋或緩釋，從而提高療效。這在抗癌藥物和基因治療藥物的靶向運輸中具有很好地應用前景。同時，石墨烯納米材料具有明顯的抗菌效果和良好的生物相容性，可用於抗菌材料的研製或作為抗菌物質 的載體。此外，穩定的化學性能和獨特的光學性能使石墨烯在生物成像和疾病診斷方面也具有優異的表現。

參考文獻

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