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【科技百科】石墨烯是什么?石墨烯如何应用?

发布时间: 2017-09-11 09:59:11 来源:知领

  关于石墨烯

2004年,英国曼彻斯特大学的两位物理学家成功用石墨和特殊的胶带分离出单原子层石墨——石墨烯,时至今日石墨烯已是目前发现的最薄、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”并掀起一场新型的新技术新产业革命。

石墨烯是什么

 

石墨烯简介

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

石墨烯是什么

 

石墨烯分类

1、单层石墨烯(Graphene):指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

2、双层石墨烯(Bilayer or double-layer graphene):指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛,AA‘堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

3、少层石墨烯(Few-layer):指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构) 周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

4、多层或厚层石墨烯(multi-layer graphene):指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

 

石墨烯物理性质

1.    强度与柔韧性

面积为1平方米的石墨烯层片可承受4 kg的质量,其强度约为普通钢的100倍,用石墨烯制成的包装袋,可以承受大约2吨的重量,是目前已知的强度最大的材料。

2.    导电导热性

温度稳定性高,面电阻比铜或银更低,是室温下导电最好的材料

3.    光学性质

单层石墨烯对可见光以及近红外波段光垂直的吸收率仅为 2.3%,对所有波段的光无选择性吸收。

 

石墨烯化学性质

1.   氧化性,能与活泼金属反应,或在空气中被氧化 

2.   与活泼金属反应,相当于打开部分双键

3.   在空气中高温被氧化

4.   还原性,可被氧化性酸氧化,通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片

5.   稳定性

6.   芳香性,石墨烯具有芳香性,具有芳烃的性质

7.   溶解性,在非极性溶剂中表现出良好的溶解性

8.   其他性质,可以吸附和脱附各种原子和分子  ,具有超疏水性和超亲油性。

 

石墨烯制备方法

目前众多国际大牌厂商如陶氏化学、三星、IBM以及苹果等都在积极推进石墨烯产业化的研究,从2004年至今,国际上关于石墨烯的专利申请已经达到了几千项,主要在石墨烯的制备、能源领域的应用、显示技术方面的应用、石墨烯纳米材料以及石墨烯复合材料等方面。但全球范围内都没有实施大规模量产的先例,这主要是由于还没有找到一种适合大规模生产的方法和途径,同时这也是石墨烯成本一直居高不下的原因。

目前石墨烯主要的制造方法包括五种,分别是: 机械剥离法、气相沉积法(CVD法)、SiC热分解法、氧化还原法等。其中最接近实际生产应用的是气相沉积法。

 

石墨烯的应用

石墨烯的应用范围,从电子产品到防弹衣和造纸,可以说是十分广泛,甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。

1.   单分子气体侦测

石墨烯具有已知材料最大比表面积 ,碳原子网络都可以参与电荷的传递, 对其他分子如气体和生物分子有很高的灵敏度

石墨烯是什么

2.   集成电路互连材料

石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声,这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择,有可能替代铜金属。

石墨烯是什么

3.   石墨烯电池

石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。添加石墨烯作为导电剂促进电量转换 ,石墨烯夹层其他纳米材料,形成纳米复合结构(如图)石墨烯高热导率可以在充放电过程中帮助 散热,并能防止电极热膨胀,提高电池使用寿命。

石墨烯是什么

4.   柔性显示

石墨烯透明、导电性能及柔软的机械性能可用于柔性显示。

石墨烯是什么

三星的石墨烯柔性显示屏

石墨烯触摸屏有如下优点: 

首先,无毒环保,石墨烯由纯碳构成, 即使植入生物体内, 也仅产生微弱的排异反应。 相比 ITO 使用有毒的稀有金属铟,石墨烯对环境友好。 

其次,石墨烯的光学性能要优于 ITO,能部分消除镜面反射,可有效解决长期困扰 ITO 的光学镜面反射问题。在强光下,ITO 屏幕会变黑,而同样情况下的石墨烯触摸屏镜面反射会减弱很多,用户可以正常使用。

5.    真空电子器件

石墨烯具有特殊的能带结构 ,利用其特性制造各类微电子器件

石墨烯是什么

石墨烯场效应管及I-V特性曲线

6.    超级电容器

由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。

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7.    功能薄膜

石墨烯的多孔结构可实现分子筛的功能,石墨烯功能薄膜实现海水淡化、过滤及杀菌功能。

石墨烯是什么

Ag纳米颗粒修饰的石墨烯杀灭水中的大肠杆菌

石墨烯是什么

石墨烯海水淡化作用示意图

8.    抗菌物质

中科院上海分院某位科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,对有害菌导致的便秘进行快速消除,或保存食品新鲜的包装。

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9.    生物器件

由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。

科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言,他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、 C、 G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样就可以达成目的。

10.   石墨烯气凝胶,用于尾气空气净化、催化载体

汽车室内及尾气的净化一直是汽车环保领域考虑的重要问题。2013年浙大高分子系高超教授课题组制备出了世界上最轻的材料—石墨烯超轻气凝胶,材料密度仅为0.16mg/cm3。这种材料制备工艺简单却拥有非常优异的性能,其具有高弹性,被压缩80%之后仍可恢复原状;同时还具有超快、超高的吸附力,是迄今吸油能力最强的材料。其可以广泛应用于空气净化、催化载体等领域,对汽车室内空气净化以及尾气催化还原具有重要意义。

 

石墨烯研究现状

石墨烯是什么

 

石墨烯纤维

一张图告诉你什么是石墨烯纤维

 

  

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