石墨烯应用领域分析

对现在的石墨烯应用领域进行的汇总分析、石墨烯是由碳原子按照正六边形结构在二维空间上排列组成的单层纳米结构，所有的碳原子都可以与外界接触，因而每个碳原子六元环可以存储两个锂离子，其大的比表面积为更多的锂离子提供了存储空间，是石墨材料的两倍。

石墨烯应用领域分析

• 锂电池正极材料添加剂
  • 石墨烯作为一种二维纳米材料，导电性能非常优异，大比表面积的石墨烯附着在正极材料颗粒表面，相互交织在一起形成了庞大的高速导电网络，锂离子和电子的迁移速率能够有效提升。
    • 1.具有高的电导率和大比表面积特性的石墨烯与镍钴锰酸锂、磷酸铁锂组成的复合材料可以克服电极材料导电性不足的缺点，使其高比容量的特性得到充分发挥。将石墨烯制成导电浆料（主要材料为 5%的石墨烯粉体和 93%的 NMP 以及少量其他助剂）用于包覆磷酸铁锂等正级材料。
    • 2.当石墨烯与炭黑构建成为复合导电剂材料时，在原有网状链式炭黑结构的基础上均匀包裹了大量的二维石墨片层，片层的间隙由充当骨架结构的炭黑填充，通过协同传导作用，由原来的点位二维传导变成了点面三维结构传导，同时解决了石墨烯叠加和团聚的问题，提高了结构稳定性与传导效率。
    • 3.石墨烯/碳纳米管作为导电添加剂加入锂离子电池材料时，两者可构建三维网状导电点位结构。碳纳米管贯穿于各层石墨烯片中，使原来的二维传导空间变成了三维桥连结构输运通道，提供更为快速与通畅的电子导电路径，大大提升了传输效率，提高了锂离子在电池正极中的传输速率，同时碳纳米管的骨架作用有效增强了石墨烯结构稳定性，避免了团聚与堆叠。
• 锂电池负极材料
  • 石墨烯是由碳原子按照正六边形结构在二维空间上排列组成的单层纳米结构，所有的碳原子都可以与外界接触，因而每个碳原子六元环可以存储两个锂离子，其大的比表面积为更多的锂离子提供了存储空间，是石墨材料的两倍。
    • 1.纯石墨烯加入锂离子电池中将其作为电池的负极活性物质，测试得出电池的实际容量可以高达540 mAh/g。但未达到理论值的原因主要为实际制得的石墨烯很多不是单层的，多层石墨烯降低了储锂能力；当石墨烯直接作为锂离子电池负极材料时，在充放电过程中容易出现卷曲堆叠现象，致使比表面积降低，存储点位减少，电化学性能变差，循环性能降低。
    • 2.金属氧化物/石墨烯复合材料普遍可以提升电池容量、提高倍率性能和延长循环寿命，比纯石墨烯材料具有更好的电化学性能。
    • 3.氮、硼等掺杂原子的加入导致了石墨烯二维六元环结构发生畸变，引起表面结构缺陷的增加，因而增加了其中的空间点位，可以提升锂离子的存储量。
• 超级电容器
  • 石墨烯的电导率高、比表面积大、且化学结构稳定，表面更有效的释放，有利于电子的渗透和运输，适合作为超级电容器电极材料。石墨烯比表面积高达 2600m2 /g、电荷迁移率高达 230000cm2/(V·s)，导热系数为3000W/(m·K)，最高强度为130GPa。
    • 1.决定超级电容器性能的关键因素为电极材料的选择。电极材料是超级电容器生产的关键部分，占整个电容生产成本的 40%左右，主要电极材料包括活性碳、介孔碳、碳纳米管、碳纤维等。
    • 2.石墨烯量子点或粉末可以组装成零维（0D）结构电极材料，石墨烯纤维或纱线可以组装成一维（1D）电极材料，石墨烯薄膜或薄片可以组装成二维（2D）电极材料，与金属氧化物/氢氧化物颗粒或导电聚合物复合形成的网状结构可组装成三维（3D）电极材料。
• 石墨烯触控屏
  • 石墨烯触控屏的性能绝不逊色，且具有柔韧和宽温度适应性两大特点。
    • 现代触摸屏开始尝试利用石墨烯材料来实现机械性能和柔韧性能的双重突破，同时借助其稳定的化学特性和光谱透射率，实现更为优秀的软显示效果。相比传统触摸屏，石墨烯材料完成的触摸屏制作更具柔软性，更符合当前智能手机等硬件设备对于曲面触摸屏的需求，能够实现较高弯曲度下屏幕流畅触摸运行的实际功能，具有较高的应用优势。
• 柔性屏幕可穿戴设备
  • 石墨烯具备透明、柔韧，导电性能高，可以任意变化。
    • 石墨烯穿戴设备更好适配人体，实现消费突破。当前，技术上石墨烯柔性屏幕已经获得突破，如电子皮肤的研发成功，实现了可以任意弯曲与变形，仿人类触觉感知的功能，未来会更好地适配可穿戴设备。
• 有机发光二极管
  • 石墨烯薄膜材料本身的透光率优秀，同时十分可控，以及其所具有的良好的导电性和柔韧性，使其将会成为替代传统ITO制备有机发光二极管的重要革命性材料。
    • 1.通过石墨烯材料以及导电聚合物来完成又激发光二极管正极器件的研究工作，石墨烯参与的材料制作，具有价格更加低廉、运行整体电压更低、性能效率更高的特点，同时在整个组分当中都能够含有金属，实现真正意义上的有机。
    • 2.在具体的氩气和氮气当中，利用紫外脉冲激光技术来进行沉淀，完成p型或n型石墨烯薄膜制备，这种制备方式能够实现更优的石墨烯薄膜性能，时期能够转移到p-GaN层当中，实现二极管绿色发光，解决传统ITO光电性能较差同时原料储量不高等核心问题。
• 薄膜晶体管
  • 石墨烯薄膜二维仅有一个原子厚度，其所具有的结构为电子传输提供了优秀的传输通道，充分发挥了其导电性能，从而极大地提高工作效率。
    • 薄膜晶体管具有良好的电子迁移率，同时具备更强的柔性和透光率，应用石墨烯材料的警惕光，将成为下一代晶体管创新的主要方向。
• 防腐涂料
  • 石墨烯具备优异的力学性能，通过层的叠加，以小尺寸效应填充于涂料的空隙中可以形成致密的物理阻挡层，因此以溶液共混、熔融共混或原位聚合的方法与涂料中的树脂共混，所制得的防腐涂料能够有效地阻止小分子腐蚀介质的渗透，从而增强其耐腐蚀性，提高其防护性，同时延长所保护金属基体的使用寿命。
    • 石墨烯对金属防护主要以下列三个方面为主，分别是石墨烯的屏蔽作用、石墨烯防腐涂料的附着力和石墨烯涂层的自修复能力。
    • 石墨烯防腐涂料主要分为以下两种:石墨烯与涂料直接制得纯石墨烯防腐涂料来提高材料的防腐性能以及将石墨烯与聚合物树脂或者其他功能性材料复合，再添加至涂料中，从而制得石墨烯复合涂料，常见的有石墨烯/环氧树脂防腐涂料、石墨烯/聚苯胺防腐涂料等。基于此，常见的石墨烯应用于金属防护的作用方式有:基体表面原位生长石墨烯薄膜、基体表面喷涂石墨烯水溶液、电化学沉积法制备石墨烯/金属纳米复合涂层、电化学沉积法制备石墨烯/高分子导电聚合物复合涂层、将石墨烯或改性后的石墨烯添加到传统的有机防护涂层中等。
• 传感器
  • 石墨烯的表红外光束激发等离子体面吸附性能来完成的，石墨烯化学探测器的灵敏度非常高。
    • 石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，石墨烯制成的传感器在医学上具有良好的灵敏性。随着市场中医学，化学及可穿戴设备等方面对于石墨烯传感器越来越多的需求，以及石墨烯薄膜制作成本逐步下降，石墨烯传感器将越来越多地应用于市场中，发展潜力巨大。
• 散热膜
  • 石墨烯导热片的导热快、可折叠等性能要远远优于石墨片。
    • 散热材料如热导纤维、热导塑料等，并且技术难度小、工艺相对成熟，存在快速进入市场的机会。尤其在智能手机领域，手机要求轻薄、便携，未来要求可折叠，因此石墨烯导热膜具有极大优势。
• 橡胶塑料功能性复材
  • 石墨烯在热、电等方面极强特性。
    • 石墨烯加入橡胶、塑料等基底中可以提高基底材料的导电、导热性以及强韧度，对材料进行综合改性，例如增强塑料、防静电塑料、导热塑料。
• 聚苯硫醚石墨烯改性纤维
  • 石墨烯具有良好的抗菌、抗静电、阻燃耐热、电磁防护、防紫外线和远红外保健等功能，添加适量的石墨烯并配以合理的织造工艺，可制得具有上述多功能的织物。
    • 采用熔融纺丝工艺制备聚苯硫醚石墨烯（PPS-G）改性纤维，具备较好的可纺性，在质量分数较低的情况下，石墨烯材料具有较好的分散性；石墨烯材料的添加有效提升了改性PPS纤维的防紫外线、远红外和抗静电性能，对纤维的力学性能改善也有一定帮助；但含量过高反而会导致力学性能下降。
• 石墨烯导电油墨
  • 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。
    • 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。石墨烯油墨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。
• 加热组件
  • 利用导电特性，石墨烯可以通过涂镀制成加热组件。
    • 制做柔性加热片件，可用于衣服保暖、工业温控等。将此功能用于汽车前后玻璃加热用。部分高端用车采用钨丝等作为加热组件，考虑到石墨烯具有高透光率、且易于在曲面上应用，未来将可能成为车用加热玻璃的重要选项。
• 电磁波防护膜
  • 石墨烯作为一种高表面积和电子迁移率的二维材料，为聚合物复合材料提供更大的电容电位。
    • 电容电位带来的介电特性，则增强了材料对于电磁能量的衰减能力。将石墨烯纳米片（GNS）分散在热塑性聚氨酯（TPU）中获得导电复合薄膜。在X波段（8-2 GHz）的电磁波环境中，当GNS在TPU中的体积分数由 0 提升至 0.12 时，复合薄膜（厚度为0.03-0.05mm）的电磁波屏蔽效能由 1dB 提高到约 14 dB，展现出可观的屏蔽效果。
• 太阳能电池组件
  • 石墨烯的高电荷浓度和电子迁移率、低的温度敏感性使其更能在此电池领域中大显身手。
    • 以石墨烯/纳米银颗粒/石墨烯三明治结构材料为阳极、PET及PDMS等聚合物（可见光透光度大于90%）为柔性衬底的太阳能电池，结合聚合物的柔性、高透光性及石墨烯的电荷传导性等优势，以提升太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
• 生物医学
  • 物理学上，将三维尺度局限在 1-100nm，并具有显著的量子限域效应和尺寸效应的纳米结构称之为量子点，比如硅量子点、碳量子点以及新兴的石墨稀量子点。
    • 石墨稀量子点的生物相容性良好，并且具有良好的光学性质，例如，石墨烯量子点在生物成像中，具比有荧光更稳定，不会出现光漂白和不易光衰等特点。可以广泛用于细胞成像、纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗、生物传感器等生物医学领域的研究。