石墨烯材料的應(yīng)用

石墨烯材料的應(yīng)用

摘要：在學(xué)習(xí)了功能材料課程后，我們最終選擇石墨烯最為我們的介紹材料與最終課程論文報(bào)告主題。石墨烯目前是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)最為活躍的研究前沿,這一非傳統(tǒng)的二維材料展現(xiàn)出極好的結(jié)晶性及電學(xué)質(zhì)量,它在過去短短幾年內(nèi)已充分顯示出在理論研究和應(yīng)用方面的無窮魅力.論文主要介紹石墨烯目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有很好應(yīng)用前景的方面。

雖然只有當(dāng)商用產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)才能肯定其應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)性,

但憑借其非同尋常的性質(zhì)我們相信石墨烯將會(huì)給世界帶來巨變。

關(guān)鍵詞：石墨烯應(yīng)用。

引言：自從2004

年安德烈.海姆

和康斯坦丁.諾沃肖洛夫這對(duì)師生用膠帶分離法首次制得石墨烯后，不僅在2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，還引起全球的石墨烯研究熱。目前全世界有無數(shù)的科研機(jī)構(gòu)與科學(xué)工作者在做相關(guān)石墨烯的理論、制備、應(yīng)用方面的研究，并在電化學(xué)，功能材料，電子器件，化學(xué)吸附等方面都取得了顯著地成果。雖然這些都還只是處于研究階段，還沒能應(yīng)用于實(shí)際中，但就目前對(duì)石墨烯的研究表明：石墨烯的高導(dǎo)電、透明度高、載流子遷移率快，高比表面積、高力學(xué)強(qiáng)度等性質(zhì)對(duì)我們的生活將會(huì)帶來翻天覆地的變化，相信我們的明天會(huì)因石墨烯而更加光明。

石墨烯簡(jiǎn)介：

石墨烯就碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是單層石墨。我們?nèi)粘Ｉ钏姷氖褪嵌鄬拥?，所以可通過石墨來制備石墨烯。其發(fā)展歷程是：

1934年

朗道

和佩爾斯指出準(zhǔn)二晶體材料由于其自身的熱力學(xué)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其在常溫常壓下會(huì)迅速分解。

1947年，菲利普

華萊士開始研究石墨烯電子結(jié)構(gòu)并指出其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。

1987年穆拉斯首次用“graphene”來指單層石墨片。

2004

年

安德烈.海姆

和康斯坦丁.諾沃肖洛夫用膠帶分離法制得石墨烯。

可見石墨烯的研究已經(jīng)有八十左右年，但是在2004年之前，世人都認(rèn)為二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)根本不穩(wěn)定，所以很少有人去研究?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅在空氣中很穩(wěn)定，而且還具有非常多優(yōu)良的性質(zhì)。

石墨烯的應(yīng)用：將分別按照其特性來介紹其應(yīng)用。

極高吸附能力：由于石墨烯具有極高的比表面積，其吸附性表現(xiàn)的非常好，是目前已知吸附能力最高的材料。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯表面進(jìn)行磺酸基功能化處理,不但可以提高石墨烯的分散性,這種功能化石墨烯對(duì)萘和萘酚的吸附能力達(dá)到了每克2.4毫摩爾,是目前吸附能力最高的材料可以用于凈化水，比目前常用的活性炭效果要好很多倍，對(duì)石墨烯表面修飾其它基團(tuán)對(duì)吸附有機(jī)質(zhì)與重金屬離子也具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)；在檢測(cè)氣體是具有很低的噪聲信號(hào)，可以精確的探測(cè)單個(gè)氣體分子，這也使之在化學(xué)傳感器和分子探針方面有潛在的應(yīng)用前景，美國科學(xué)家研究出一款只有郵票大小的石墨烯傳感器，其具有對(duì)氨水和電池的能量?jī)?chǔ)存密度低與充電性能的問題。由于石墨烯的巨大比表面積，能夠使電池具有很高的儲(chǔ)能密度，而且由于其陰陽兩極面積巨大，可以使電池在短短幾分鐘甚至是幾秒內(nèi)邊完下載文檔到電腦，查找使用更方便2下載券

65人已下載下載還剩2頁未讀，繼續(xù)閱讀成充電。有科學(xué)研究表明，用石墨烯制出的電池理論上是現(xiàn)有鋰電池同體積下容量的數(shù)十倍，而且由于石墨烯的導(dǎo)電性能優(yōu)異，比銀還要好，電子在石墨烯上運(yùn)動(dòng)能量幾乎不損耗。電池工作時(shí)幾乎不發(fā)熱，這使得電池更加耐用。

美國俄亥俄州Nanotek儀器公司研制出新儲(chǔ)能設(shè)備又稱為石墨烯表面鋰離子交換電池，或簡(jiǎn)稱為表面介導(dǎo)電池（SMCS），它集中了鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具高功率密度和高能量?jī)?chǔ)存密度的特性。所以我們可以暢想我們未來的汽車充電速度比現(xiàn)在加油還要快。我們的手機(jī)充一次電，可以用一個(gè)月之久。但是我們目前遇到的情況是，電池充電的循環(huán)次數(shù)還不能夠保證，這主要是石墨烯表面添加基團(tuán)的修飾問題。

極高的載流子遷移速度：硅的載流子遷移率僅為1000~2000cm2/Vs，而石墨烯的這個(gè)指標(biāo)能夠達(dá)到幾十萬甚至上百萬，是迄今發(fā)現(xiàn)的載流子遷移率最高的物質(zhì)之一。這一特性意味著一旦石墨烯能夠取代或部分取代硅，計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行速度有望達(dá)到100GHZ甚至1000GHZ。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性。但是，目前研究表明不可能用石墨烯完全取代硅做電子器件，但是部分取代是可以的，也就是摻雜石墨烯。摻雜石墨烯也可以很大的提升CPU的運(yùn)行速度，而且他的體積更小，功耗更低。,此外美國科學(xué)家還建造出一款能打開或關(guān)閉光的光調(diào)制器(

調(diào)制器是控制數(shù)據(jù)傳輸速度的關(guān)鍵)

,

其調(diào)制速度目前為1吉赫(

千兆赫)，是目前調(diào)制解調(diào)器傳輸速度的百倍。未來我們將一部高清的三維電影搬到我們的智能手機(jī)只需一兩秒的情景指日可待。

總結(jié)：除上述應(yīng)用之外，石墨烯在很多領(lǐng)域都有很大的、很有前景的應(yīng)用。如在醫(yī)學(xué)上，細(xì)菌在石墨烯上不能生長，所以可制造石墨烯防菌紗布；還有就是石墨烯在藥物輸運(yùn)，細(xì)胞成像，腫瘤治療，生物檢測(cè)等方面都發(fā)現(xiàn)具有很好的用途。從石墨烯的誕生到現(xiàn)在才短短的八年時(shí)間，雖然還沒有一項(xiàng)應(yīng)用投入與實(shí)際，但是這也已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)迅速了。石墨烯，不愧是材料之王。

現(xiàn)在石墨烯很熱，不僅在研究方面，論文發(fā)表如雨后春筍。甚至在股市，也有人炒，在國內(nèi)，凡是跟石墨烯沾邊的上市公司，即使在股市低迷時(shí)期，仍然輪番飆漲。但是沒有一家公司能夠?qū)⑸a(chǎn)出能投入于實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。其實(shí)石墨烯下游應(yīng)用技術(shù)才是國內(nèi)外最大的差距所在，也是我們急需突破的領(lǐng)域。國內(nèi)在石墨烯上做基礎(chǔ)研究比較多，但是在石墨烯應(yīng)用研究還是跟國外發(fā)達(dá)國家有比較大的差距。因此，國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)能否發(fā)展起來，關(guān)鍵還要看應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。有些企業(yè)號(hào)稱能年產(chǎn)多少噸的石墨烯，下游應(yīng)