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 下载文档到电脑 查找使用更方便 2 下载券 65 人已下载 下载 还剩 2 页未读 继续阅读 成充电 有科学研究表明 用石墨烯制出的电池理论上是现有锂电 池同体积下容量的数十倍 而且由于石墨烯的导电性能优异 比银 还要好 电子在石墨烯上运动能量几乎不损耗 电池工作时几乎不 发热 这使得电池更加耐用 美国俄亥俄州 Nanotek 仪器公司研制出新储能设备又称为石墨烯 表面锂离子交换电池 或简称为表面介导电池 SMCS 它集中了 锂电池和超级电容的优点 同时兼具高功率密度和高能量储存密度 的特性 所以我们可以畅想我们未来的汽车充电速度比现在加油还 要快 我们的手机充一次电 可以用一个月之久 但是我们目前遇 到的情况是 电池充电的循环次数还不能够保证 这主要是石墨烯 表面添加基团的修饰问题 极高的载流子迁移速度 硅的载流子迁移率仅为 1000 2000cm2 Vs 而石墨烯的这个指标能够达到几十万甚至上百万 是迄今发现的载流子迁移率最高的物质之一 这一特性意味着一旦 石墨烯能够取代或部分取代硅 计算机处理器运行速度有望达到 100GHZ 甚至 1000GHZ 由于电子和原子的碰撞 传统的半导体和导 体用热的形式释放了一些能量 目前一般的电脑芯片以这种方式浪 费了 70 80 的电能 石墨烯则不同 它的电子能量不会被损耗 这使它具有了非同寻常的优良特性 但是 目前研究表明不可能用 石墨烯完全取代硅做电子器件 但是部分取代是可以的 也就是掺 杂石墨烯 掺杂石墨烯也可以很大的提升 CPU 的运行速度 而且他 的体积更小 功耗更低 此外美国科学家还建造出一款能打开或关 闭光的光调制器 调制器是控制数据传输速度的关键 其调制速度目 前为 1 吉赫 千兆赫 是目前调制解调器传输速度的百倍 未来我 们将一部高清的三维电影搬到我们的智能手机只需一两秒的情景指 日可待 总结 除上述应用之外 石墨烯在很多领域都有很大的 很有前景 的应用 如 在医学上 细菌在石墨烯上不能生长 所以可制造石墨烯防菌纱布 还有就是石墨烯在药物输运 细胞成像 肿瘤治疗 生物检测等方 面都发现具有很好的用途 从石墨烯的诞生到现在才短短的八年时 间 虽然还没有一项应用投入与实际 但是这也已经发展的相当迅 速了 石墨烯 不愧是材料之王 现在石墨烯很热 不仅在研究方面 论文发表如雨后春笋 甚至 在股市 也 有人炒 在国内 凡是跟石墨烯沾边的上市公司 即使在股市低迷 时期 仍然轮番飙涨 但是没有一家公司能够将生产出能投入于实 际应用的产品 其实石墨烯下游应用技术才是国内外最大的差距所 在 也是我们急需突破的领域 国内在石墨烯上做基础研究比较多 但是在石墨烯应用研究还是跟国