石墨烯材料的应用

石墨烯材料的应用

摘要：在学习了功能材料课程后，我们最终选择石墨烯最为我们的介绍材料与最终课程论文报告主题。石墨烯目前是凝聚态物理和材料科学最为活跃的研究前沿,这一非传统的二维材料展现出极好的结晶性及电学质量,它在过去短短几年内已充分显示出在理论研究和应用方面的无穷魅力.论文主要介绍石墨烯目前已经发现的具有很好应用前景的方面。虽然只有当商用产品出现时才能肯定其应用的现实性, 但凭借其非同寻常的性质我们相信石墨烯将会给世界带来巨变。

关键词：石墨烯应用。

引言：自从2004 年安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫这对师生用胶带分离法首次制得石墨烯后，不仅在2010年获得诺贝尔奖，还引起全球的石墨烯研究热。目前全世界有无数的科研机构与科学工作者在做相关石墨烯的理论、制备、应用方面的研究，并在电化学，功能材料，电子器件，化学吸附等方面都取得了显著地成果。虽然这些都还只是处于研究阶段，还没能应用于实际中，但就目前对石墨烯的研究表明：石墨烯的高导电、透明度高、载流子迁移率快，高比表面积、高力学强度等性质对我们的生活将会带来翻天覆地的变化，相信我们的明天会因石墨烯而更加光明。

石墨烯简介：

石墨烯就碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是单层石墨。我们日常生活所见的石墨就是多层的，所以可

通过石墨来制备石墨烯。其发展历程是：

1934年朗道和佩尔斯指出准二晶体材料由于其自身的热力学不稳定，导致其在常温常压下会迅速分解。

1947年，菲利普华莱士开始研究石墨烯电子结构并指出其结构的不稳定性。 1987年穆拉斯首次用“graphene”来指单层石墨片。

2004 年安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫用胶带分离法制得石墨烯。

可见石墨烯的研究已经有八十左右年，但是在2004年之前，世人都认为二维结构的物质根本不稳定，所以很少有人去研究。现在发现石墨烯不仅在空气中很稳定，而且还具有非常多优良的性质。

石墨烯的应用：将分别按照其特性来介绍其应用。

极高吸附能力：由于石墨烯具有极高的比表面积，其吸附性表现的非常好，是目前已知吸附能力最高的材料。研究发现石墨烯表面进行磺酸基功能化处理,不但可以提高石墨烯的分散性,这种功能化石墨烯对萘和萘酚的吸附能力达到了每克 2.4毫摩尔,是目前吸附能力最高的材料可以用于净化水，比目前常用的活性炭效果要好很多倍，对石墨烯表面修饰其它基团对吸附有机质与重金属离子也具有非常优异的表现；在检测气体是具有很低的噪声信号，可以精确的探测单个气体分子，这也使之在化学传感器和分子探针方面有潜在的应用前景，美国科学家研究出一款只有邮票大小的石墨烯传感器，其具有对氨水和

二氧化氮就有非常灵敏的吸收检测功能，可用于炸弹检测，并且可重复使用；此外在储氢方面具有比合金优良的多的性能，有望用于下一代储氢材料，这对于氢动力汽车行业来说无疑是绝好消息。

极高的力学强度：其不仅力学强度高，而且密度度很小，超坚韧的如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，它将能承受大约两吨重的物品。在航天航空、防弹衣，和“太空电梯”的缆线、风力发电等需要高强度重量轻的这些领域将引发革命性的突破。如石墨烯的强度超出钢铁数十倍有望被用于制造纸片般薄的超轻型飞机材料，可以很大的提高飞机的载重能力；掺杂了石墨烯防弹衣，可以做的跟普通衣物一样轻薄，对于军队来说将是一个减少伤亡的很好方法；美国家日前首次制造出碳纳米管增强聚氨酯风电叶片。与传统材料相比，该材料重量轻、强度大、耐久性好，如果用掺杂石墨烯的话，效果会更好。为了实现进一步扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，不少工程师和科学家都在致力于制造出更好的风电叶片以提高风力涡轮机的效率。按说只要增大叶片面积就能捕获更多的风能，但事情并非这么简单。如果叶

片过重，推动转子转动就需要更大的风力，这意味着更多的风力被浪费在了推动转子上而非发电。因此，更轻、更大、更结实耐用的叶片才是最佳选择。所以用石墨烯来制造风力发电叶片，将可以很大的提高风力发电的效率，使风力发电的大范围推广成为可能。

透明导电：石墨烯既透明又导电的特点，使得它作为透明导电膜的潜

力非常大，而透明导电膜正是触摸屏和LED显示屏的重要组成部分。透明导电薄膜 ( TCFs，transparent conductingfilms) 是指在可见光区( = 380 780nm) 有较高的透光率( Tavg 大于 80% ) ，并且具有优良的导电性，电阻率可以达到 10－5 欧姆每米以下的薄膜材料透明导电薄膜是许多光电子器件的重组成部分，例如液晶显示器( LCD)、有机太阳能电池、有机发光二极管( OLED) 、智能窗等铟锡氧化物( ITO) 由于其高电导率和高透光率，已经成为透明导电薄膜的主要材料。然而 ITO 在使用过程中也存在一些缺点，包括: ( 1) 铟的价格持续上涨，使得 ITO 成为日益昂贵的材料，( 2) ITO 脆的性质使其不能满足一些新应用( 例如可弯曲的 LCD 有机太阳能电池) 的性能要求，( 3) ITO 的制备方法( 例如喷镀蒸发脉冲激光沉积电镀) 费用高昂。再加上电视机的彩色需要用到稀土发光材料，由于稀土的开发严重污染环境，且国外缺少稀土资源，所以一直在寻找替代品。由此我们可以看出石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、伸缩的显示器件。目前，三星科学家首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的25英寸的柔性透明触摸屏，表明石墨烯在此方面的良好应用前景。

此外石墨烯透明导电的性质还使它可以作为太阳能电池透明电极材料，能提高太阳能电池的发电效率。

比表面积巨大：石墨烯是单层碳原子，其比表面积巨大，有几吨的石墨烯便可以将地球铺满。巨大地比表面积且导电性能，使之成为充电电池的救星。电动力汽车之所以到现在还没有广泛应用，就是因为

电池的能量储存密度低与充电性能的问题。由于石墨烯的巨大比表面积，能够使电池具有很高的储能密度，而且由于其阴阳两极面积巨大，可以使电池在短短几分钟甚至是几秒内边完

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