石墨烯六大应用领域全面分析

发表于 2018-02-02 15:55:01 收藏 已收藏
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石墨烯六大应用领域全面分析

发表于 2018-02-02 15:55:01

石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,相当于一根头发的20万分之一的厚度,1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料,并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。上述优点的存在是其拥有良好的市场前景。

领域一:导电油墨

导电油墨是用导电材料制成的油墨,具有一定程度导电质,可作为印刷导电点或导电线路之用。近年来在手机、玩具、薄膜开关、太阳能电池、远红外发热膜以及射频识别技术等行业中应用越来越广泛。过去数十年,导电油墨最大的下游是太阳能电池以及显示器件。未来包括触摸传感器及其电极、RFID以及电子纸张的应用也将同时保持增长。

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石墨烯导电油墨具有强大优势,发展前景看好。导电油墨属于填充型复合材料,是印刷与烧结处理后具有导电性能的油墨。石墨烯应用在油墨的优势主要有两点:一是兼容性强,石墨烯油墨可在塑料薄膜、纸张及金属箔片等多种基材上实现印刷;二是性价比高,与现有的纳米金属导电油墨相比,石墨烯油墨具有较大的成本优势。

由于石墨烯的良好性能,其制成的油墨具有电阻小、导电性强以及光学透明性高等特点,在各类导电线路以及传感器、无线射频识别系统、智能包装、医学监视器等电子产品中有广泛应用。2015年导电油墨的产量也已达到80万吨。预计到2015年导电油墨产量将达到130万吨,随着石墨烯的生产技术成熟、成本降低,石墨烯导电油墨将逐渐占据市场份额。预计到2020年导电油墨领域石墨烯应用市场规模达到2亿元。

领域二:传感器

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。

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领域三:生物材料

石墨烯类材料在生物领域有着多方面的应用,其中氧化石墨烯可以制成纳米抗菌材料,抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。由于其具有丰富的材料来源,这种新型的晶体材料有望在环境检测和临床医学领域得到广泛应用。

2010年3月,国家纳米科学中心方英课题组和美国哈佛大学Lieber课题组合作首次成功制备石墨烯与动物心肌细胞的人造突触的相关研究结果,此次合作建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系,将为生物电子学的研究带来新的机遇。由于石墨烯还具有毒性低、比表面积大等优异性能,在药物载体方面蕴含着潜在的应用价值。Hu等采用一步合成法制备了普郎尼克PF127/石墨烯复合物,可以有效负载阿霉素,负载率可达到289%,并且在生理溶液中具有很高的稳定性和分散性。

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此外,研究人员还制备了壳聚糖-石墨烯复合物固载葡萄糖氧化酶(GOD)生物传感器,GOD具有快速电子转移性质,灵敏度为37.93μA·L/(mmol·cm2),其线性检测范围为0.08~12mmol/L,因此对葡萄糖的检测呈现出优异性能。使用PEG包裹荧光标签的纳米石墨烯片(nanographene sheets,NGS)在活体内异种皮肤肿瘤移植荧光成像中表现出了高肿瘤摄取率,这表明石墨烯在肿瘤治疗方面具有很大的潜力。石墨烯作为载体的复合物在模拟天然酶方面也具有很大的应用,利用简单方法制备出的氧化石墨烯- Fe3O4磁性纳米复合物具有天然酶所不能及的高活性、广泛的温度和pH值依赖性,石墨烯更以其共轭平面结构对底物分子的富集以及与底物之间的快速电荷转移,对模拟酶活性的提高起到很大的辅助作用。

领域四:储能材料

石墨烯在能源存储方面也有着举足轻重的作用,氢能一直以来都被看作是非常优质的能源,但由于它的密度低、易爆炸的特点,储氢材料一直是人们研究的热点,石墨烯类材料的出现将在氢能存储中得到广泛的应用。希腊大学研究人员Froudakis等设计了新型3D碳材料,当这种新型碳材料掺杂了锂原子时,石墨烯柱的储氢量可达到6.1%(质量分数)。Ataca等[22]利用第一性原理平面波法得到石墨烯被钙原子掺杂后储氢量可到达8.4%(质量分数),钙原子会留在石墨烯表面,有利于循环使用。Chen等利用二维石墨烯片掺杂钯纳米颗粒后再混合活性炭受体,用作储氢材料。实验证明,这种材料在10MPa下储氢量为0.82%(质量分数),比不含石墨烯的钯材料提升了49%,而且此材料的吸附是高度可逆的。

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石墨烯具有特殊的二维柔性结构,在制作高能、柔韧和微型超级电容器等方面有很大的潜力。Peng等将MnO2纳米片与石墨烯混合制成柔性平面超级电容器,这种平面结构不仅引入更多的电化学表面吸附/解析电解液离子,而且提供更多的界面用于充放电过程中电荷的传输。其电化学比容量可达到233F/g,7000次充放电循环后仍可保持92%的 容量。

领域五:锂电池

石墨烯在锂离子电池中的应用比较多元化,目前已经实现商业化的是用在正极材料中作为导电添加剂,来改善电极材料的导电性能,提高倍率性能和循环寿命。目前比较成熟的应用是将石墨烯制成导电浆料用于包覆磷酸铁铿等正级材料。正极用包覆浆料目前主要包括石墨浆料、碳纳米管浆料等,随着石墨烯粉体、石墨烯微片粉体量产、成本持续降低的情况下,石墨烯浆料将呈现更好的包覆性能。石墨烯浆料将随锂电池增长而稳步上升。锂离子电池主要应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式电子器件等方面,并积极地向电动力汽车等新能源汽车领域扩展,具有长期发展前景。

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由于石墨烯对于电池性能有诸多提升作用,对动力电池性能要求的不断提升必将拉动石墨烯在电池领域的发展。同时石墨烯电池行业规模有望充分受益于动力电池的放量,分享新能源汽车行业的增长。

领域六:半导体材料

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)。

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石墨烯行业发展现状

石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链,目前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模化生产,对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。

石墨烯在国内市场上从研发到应用的时间需要5-10年,需达到成熟的产业规模时间则会更长。而国内目前并没有上市公司的主营业务生产石墨烯,只有几家生产碳纤维产品的公司正在进行石墨烯产品的研制,目前都没有大规模量产的能力。

不过,在国家及地方政府的支持下,近几年我国石墨烯产业化快速发展,初步构建起以石墨烯原材料、研发、制备、应用为主体的产业链。截至2015年我国从事石墨烯产业的企业已突破千家,产业化应用已在不断推进。

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随着政府的积极介入,石墨烯产业已经初步形成政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的“官产学研”合作对接机制,良性发展态势有助于石墨烯企业充分享受地方政策、税收优惠以及资金支持,未来产业化发展有望加速。

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