纳米材料的研究进展及其应用

1、李若木115104000462纳米材料的概念纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著不同。纳米材料：石墨烯n 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体n

2、石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。n 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。石墨烯的制备方法n 机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运

3、动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低。n 氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。n SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。n 化学气相沉积法（CVD）是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现

4、阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。石墨烯的应用n 代替硅生产电子产品代替硅生产电子产品 n 触摸面板试样品触摸面板试样品n 石石墨晶体管和光学元件墨晶体管和光学元件n 太阳能电池太阳能电池n 新一代储电池和氢吸附材料新一代储电池和氢吸附材料n 石墨烯电池石墨烯电池n 集成电路电子器件集成电路电子器件n 导电电极导电电极n 半导体器件半导体器件石墨烯的应用石墨烯的近几年发展成果n 英国在2012年底宣布追加投资2150万英镑资助石墨烯研究项目，推进石墨烯的商业化进程。于2013年11月启动的PolyGraph项目正开发提供工业规模量的石墨烯增强热固性聚合物（TSP）生产技术，这是由英国Net

5、Composites公司牵头的欧盟多方合作项目。n 2013年3月，美国科学家研发出以石墨烯技术为基础的超级电容器，充电速率远高于普通电池，用其为一部iPhone手机充满电仅需5秒钟，2013年5月，美国西北大学研发石墨烯墨水，可用于软性电子产品。n 在2014年3月，美国能源部国家直线加速器实验室（SLAC）和斯坦福大学的一项研究首次揭示了石墨烯插层复合材料的超导机制，该研究有助于推动石墨烯在超导领域的应用，开发出高速晶体管、纳米传感器和量子计算设备。同样在2014年，美国科学家利用石墨烯在红外传感器技术上有了全新的突破。他们将石墨烯技术用于红外线图像传感器的制造，设计了体积很小的图像传感器

6、，不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器，新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。石墨烯的近几年发展成果n 2013年1月，日本东北大学多元物质科学研究所与昭和电工联合开发出量产优质石墨烯片的技术，这意味着在利用石墨烯作为汽车的电池材料及轻量高强度结构材料方面迈出了重要一步。2013年7月，日本名古屋大学的研究小组开发出像马鞍一般弯曲的碳纳米分子，并将这种碳纳米分子命名为“弯曲纳米石墨烯”，有望在电子元件和医疗等领域得到应用。n 美国IBM公司研究人员在2014年3月利用主流硅CMOS工艺制作世界上首个多级石墨烯射频接收器，并进行了字母为“I-B-M”的文本信

7、息收发测试，这款接收器是迄今为止最先进的全功能石墨烯集成电路，可使智能手机、平板电脑和可穿戴电子产品等电子设备以速度更高、能效更低、成本更低的方式传递数据信息。n 2015年1月，西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。中国近几年对石墨烯的发展研究成果n 2013年中科院重庆研究所用化学气相沉积法成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出7英寸石墨烯触摸屏。n 20

8、14年3月20日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛课题组与清华大学和中科院金属研究所相关团队合作，成功研制出高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10200m之间可控，室温面向热导率高达977W/mK，拉伸强度超过15Mpan 2014年4月，青岛科技大学与美国密苏里州立大学和美国劳伦斯-伯克利国家实验室合作，联合开发石墨烯基太阳能电池，成本比传统的要降低一半多。n 2014年3月，中科院宁波材料技术与工程研究所在实现石墨烯产业化制备的基础上，进一步开展石墨烯/高分子复合体系相关研究，揭示石墨烯与高分子基体之间的非共价建结合机理，由此提出非化学法改善高分子与石墨烯间界面粘结的新方法。中国

9、近几年对石墨烯的发展研究成果n 2014年3月，清华大学化工系张强、魏飞教授研究组成功制备出一种具有自分散、不堆叠特性的柱撑石墨烯。课题组通过催化气相生长调变石墨烯的拓扑结构，获得了具有突起结构的石墨烯。该柱撑石墨烯用于锂硫电池正极时，其材料的能量密度、功率密度显著优于商用锂离子电池所用正极材料，在电动汽车、个人电子产品、以及大规模储能中具有潜在的应用前景。n 2015年03月02日，全球首批3万部石墨烯手机在渝发布，该款手机其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。n 2015年5月，南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。这种电

10、池以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，以金属锂作负极，吸收空气中的二氧化碳释放能量。n 2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。该研究成果令“光动”飞行成为可能。n 2015年03月02日，全球首批3万部石墨烯手机在渝发布，该款手机其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。n 2015年5月，南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。这种电池以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，以金属锂作负极，吸收空气中的二氧化碳释放能量。n 2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压