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关于石墨烯

什么是石墨烯

  石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 [1] 。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。 [2] 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。
 

石墨烯应用:

  石墨烯应用于传感器领域

  石墨烯因其独特的二维结构在传感器中有广泛的应用,具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点,能提升传感器的各项性能。主要用于气体、生物小分子、酶和DNA电化学传感器的制作。新加坡南洋理工大学开发出了敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国伦斯勒理工学院研制出性能远超现有商用气体传感器的廉价石墨烯海绵传感器。

  石墨烯应用于储能和新型显示领域

  石墨烯具有极好的电导性和透光性,作为透明导电电极材料,在触摸屏、液晶显示、储能电池等方面有很好的应用。石墨烯被认为是触摸屏制造中最有潜力替代氧化铟锡的材料,三星、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业均在此领域作了重点研发布局。美国德州大学奥斯汀分校研究人员利用KOH对石墨烯进行化学修饰重构形成多孔结构,得到的超级电容的储能密度接近铅酸电池。密歇根理工大学科学家研发出一种独特蜂巢状结构的三维石墨烯电极,光电转换效率达到7.8%,且价格低廉,有望取代铂在太阳能电池中的应用。东芝公司研发出石墨烯与银纳米线复合透明电极,并实现了大面积化。

  石墨烯应用于半导体材料领域

  石墨烯被认为是替代硅的理想材料,大量有实力的企业均开展了石墨烯半导体器件的研发。韩国成均馆大学开发出了高稳定性n型石墨烯半导体,可以长时间暴露在空气中使用。美国哥伦比亚大学研发出石墨烯-硅光电混合芯片,在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景。IBM 的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管,其截止频率可达100GHz,频率性能远超相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40GHz)。

  石墨烯应用于生物医学领域

  石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。 如美国宾夕法尼亚大学开发的石墨烯纳米孔设备可以快速完成DNA测序。石墨烯量子点应用于生物成像中,与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段,但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。

  石墨烯应用于复合材料行业

  石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa。石墨烯是二维蜂窝状六元环紧密连接而成的单碳原子层结构,被认为是碳纳米材料家族的基本组成元件。

  基于石墨烯的聚合物复合材料是石墨烯迈向实际应用的一个重要方向。 由于石墨烯具有优异的性能和低廉的成本, 并且功能化以后的石墨烯可以采用液加工等常规方法进行处理, 非常适用于开发高性能聚合物复合材料。

  石墨烯应用于化工行业

  石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 这些性能让石墨烯应用技术将在加热膜、电池材料、 涂料涂装等化工领域都能大展身手。

  石墨烯应用于节能环保行业

  石墨烯是最坚硬的材料之一,具有高导热性,导热系数高达5300W/mK这特性使石墨烯在热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景利用石墨烯材料,结合现有的工艺和设备,可提升技术方案和改进或新建设备,实现能耗的大幅下降,帮助传统产业满足越来越严格的环保法规,获得生存空间,众多优异性能实其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。

  石墨烯应用于采暖行业

  由于石墨烯具备导电导热快、稳定性好等特性,石墨烯在家庭电采暖领域的应用受到广泛关注,作为超导材料,将石墨烯作为发热膜,电热转化率可以达到99.5%以上。将石墨烯应用于电采暖领域,比传统取暖材料电能转化提高45%,在清洁环保的同时实现科学节能。与此同时,加以内置智能控制系统,根据外界环境自动调整,则可以保证室内恒定的舒适温度。

 

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