石墨烯的應(yīng)用與發(fā)展前沿

胡俻瑜

[摘要]：手機(jī)充電只需幾秒鐘、史上最薄電燈泡以及光驅(qū)動飛行，這些似乎不可能發(fā)生的事情卻在石墨烯的引導(dǎo)下成為可能。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于2004年成功從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)了石墨烯可以單獨(dú)存在。石墨烯是一種二維平面結(jié)構(gòu)石墨材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有了很多性質(zhì)。有關(guān)石墨烯的研究和運(yùn)用已經(jīng)成為現(xiàn)在的熱門話題。本文從石墨烯的應(yīng)用方面展開論述，并對石墨烯的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

[關(guān)鍵詞]：石墨烯；正極材料；負(fù)極材料； 太陽能電池

1、前言

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備為我們所用。但隨著時代的發(fā)展和社會的需要，電子儲存器件的尺寸在不斷的縮小至極限。而石墨烯的發(fā)現(xiàn)恰恰改變了現(xiàn)在這種焦灼的現(xiàn)狀。石墨烯是目前已知的導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好的材料之一。石墨烯是碳原子以sp?的單原子層構(gòu)成的，它構(gòu)成了其他碳材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元是苯六元環(huán)，是有機(jī)材料中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元，因此保證了石墨烯的穩(wěn)定性。

石墨烯的分類如表1所示

表1.石墨烯的分類

Fig1.The classification of the Graphene

類別 特點(diǎn)

單層石墨烯 一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成

雙層石墨烯 兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成

多層石墨烯 3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成

石墨烯 二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱

2、石墨烯的運(yùn)用前沿

2.1 石墨烯的電極材料應(yīng)用

2.1.1石墨烯的負(fù)極材料應(yīng)用

近年來，石墨烯作為一種研究較多的新型材料，具有良好的倍率性能以及導(dǎo)電性能，在鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域極具有廣泛的應(yīng)用前景。而純石墨烯材料由于其首次庫倫循環(huán)效率較低、而充放電平臺較高以及循環(huán)穩(wěn)定性較差等缺陷，并不能完全取代目前市場上的商用的碳材料直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料使用。但石墨烯可以作為一種較為優(yōu)異的基體材料，從而在鋰電池復(fù)合電極材料中發(fā)揮其更為優(yōu)良的性質(zhì)以及作用。

在對石墨烯材料進(jìn)行摻雜改性后，新生成的復(fù)合材料能改善兩種原始材料單獨(dú)使用時所具有的缺點(diǎn)，由此充分發(fā)揮以及優(yōu)化純石墨烯與被改性的原始材料之間的協(xié)同效應(yīng)。研究人員們將石墨烯與碳納米管、天然石墨等碳材料復(fù)合，這些復(fù)合材料能夠利用石墨烯的特殊片層結(jié)構(gòu)，從而改善材料的電子傳輸能力以及力學(xué)性能等性質(zhì)。當(dāng)石墨烯復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時，其電化學(xué)儲能性能往往優(yōu)于石墨等材料，同時，其充電速度大約為石墨的十一倍。因此，石墨烯的復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)快速充電，與此同時，當(dāng)使用石墨烯復(fù)合材料時，鋰離子電池的負(fù)載能力也會得到提升。

2.1.2石墨烯的正極材料應(yīng)用

近年來，隨著對鋰電池等材料電池的不斷研究進(jìn)展，研究者開始研究石墨烯作為正極從而對材料的性能進(jìn)行改性。石墨烯原始材料因其優(yōu)異的電子傳輸能力以及二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)，從而能夠有效改善正極材料的導(dǎo)電等電化學(xué)性能，從而有效提高鋰離子的擴(kuò)散傳輸能力。例如：作為過渡金屬的磷酸鹽具有儲鋰的開放空間，是一種新型的鋰電正極材料。該材料利用石墨烯其柔韌的網(wǎng)狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)從而達(dá)到改善電極材料的導(dǎo)電性能。

值得一提的是：在動力電池領(lǐng)域中，磷酸鐵以及錳酸鋰是最有前途的正極材料。而在研究的正極復(fù)合材料中，相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)電添加劑方法，石墨烯導(dǎo)電劑的優(yōu)勢在其更夠用較少的添加量，達(dá)到更優(yōu)異的導(dǎo)電以及電化學(xué)性能。從而很大程度上減少了正極材料的制作成本以及制備工序。

2.2 石墨烯復(fù)合物修飾電極（與金屬氧化物）

基于金屬氧化物在氧化以及酸性條件下具有較優(yōu)的穩(wěn)定性，現(xiàn)在研究員們將石墨烯與金屬氧化物復(fù)合，形成修飾電極，其中運(yùn)用較廣的金屬氧化物為納米二氧化鈦。

納米二氧化鈦是目前研究較多的納米無機(jī)功能材料之一， 具有多種性能，如具有抗菌和殺菌效果迅速、殺菌能力強(qiáng)的功效，同時兼具防霉、除臭、表面超親水效應(yīng)、紫外線吸收、紅外線反射等多種功能，。眾所周知，納米二氧化鈦因其良好的熱傳導(dǎo)性、光吸收性、透明性、催化性，以及優(yōu)異的紫外線屏蔽功能，而被廣泛運(yùn)用于催化、化妝品、涂料、橡膠等多個行業(yè)，同時，又在醫(yī)藥、航空航天、薄膜防腐、半導(dǎo)體電池等行業(yè)有很好的應(yīng)用前景。

納米二氧化鈦粒子修飾的電極在增大比表面積的同時還能夠?yàn)槊傅墓潭ㄌ峁┹^為良好的微環(huán)境。因此，拓展了其在葡萄糖等傳感器中的廣泛應(yīng)用?？茖W(xué)技術(shù)們研究出了以石墨烯以及納米二氧化鈦膠體混合物作為前驅(qū)體，通過氣溶膠的輔助作用，進(jìn)行自行組裝的方法蒸發(fā)了包含有石墨烯、納米二氧化水水的液滴， 從而合成了復(fù)合物。石墨烯的邊緣具有親水性，而其中心則表現(xiàn)為疏水的兩親結(jié)構(gòu)，所以可以在蒸發(fā)的過程中積聚在霧滴的表面并且被熱還原，最終形成了石墨烯的球狀結(jié)構(gòu)，與此同時，具有親水性能的納米二氧化鈦粒子在蒸發(fā)過程中進(jìn)行團(tuán)聚作用，從而被固定在了石墨烯的球內(nèi)部，與此同時，氣溶膠液滴在快速蒸發(fā)過程中，液滴進(jìn)行了濃縮，最終壓縮成微米尺寸大小的顆粒。人們可以通過利用該復(fù)合材料從而固定修飾電極，進(jìn)而可以用于電化學(xué)檢測葡萄糖。

2.3 太陽能電池

目前，石墨烯的應(yīng)用成果在不斷被研究人員們發(fā)現(xiàn)，并且廣泛地運(yùn)用于人們的生產(chǎn)生活中。其中之一即是有機(jī)薄膜太陽能電池，并且該材料有望使電陽能電池的性能獲得質(zhì)的飛躍.近來，英國一大學(xué)在《自然雜志》上發(fā)布了一項(xiàng)最新的成果研究：利用石墨烯薄膜提取大氣中的氫氣元素，并將其廣泛應(yīng)用到燃料電池領(lǐng)域，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為空氣發(fā)電技術(shù)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)?？茖W(xué)界表示這是電池技術(shù)史上最具革命性的進(jìn)步之一。石墨烯因其具有優(yōu)良的彈性以及延展性，從而使它成為制造太陽能電池最為理想的原始材料之一。根據(jù)某家光子科學(xué)研究所的最新研究結(jié)果表明：相比于硅材料，石墨烯能夠更高效地進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。其中，硅每吸收一個光子只能產(chǎn)生一個電流電子，而在同等條件下，石墨烯則可以產(chǎn)生多個電子。這樣就大大提高了光電的轉(zhuǎn)化效率。盡管目前石墨烯應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域尚處于初級發(fā)展階段，但是它的潛力驚人。據(jù)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示：石墨烯太陽能電池能實(shí)現(xiàn)大約為60%的光電轉(zhuǎn)換率，是目前效率最大的晶體硅制造的太陽能電池的兩倍。該項(xiàng)技術(shù)將極大程度地提高人們的工作效率以及極大地方便人們是生活。

3、展望

石墨烯因其具有輕薄而堅硬的屬性從而可以為汽車、飛機(jī)生等交通工具提供更加優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)材料。同時，石墨烯也可以大大地降低交通工具的耗油量，更加貼近人們的生活，減少成本，為我們的生活提供便利。通過一些研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：石墨烯可以將藥品傳送到人體的特定位置，在醫(yī)療方面提供了更加有效的治療方法。在治療腦部疾病方面也大有可為。石墨烯薄膜還可以用來過濾海水，提取其中的鹽分和其他雜質(zhì)，將一些不必要的化學(xué)物質(zhì)排除在外凈化出可飲用的水。隨著社會及經(jīng)濟(jì)技術(shù)的極速推進(jìn)石墨烯的應(yīng)用將會更加快速的融入我們的生活，石墨烯的應(yīng)用會使人們生活與工作的周邊環(huán)境不斷發(fā)生變化。更加有利于我們的生活。其他材料的出現(xiàn)也在極大限度地方便著我們的學(xué)習(xí)與生產(chǎn)生活。石墨烯作為研發(fā)的熱門材料的一種，在各個領(lǐng)域中將會最大化的發(fā)揮自己的作用。通過科研人員的不斷努力探索，我相信石墨烯的應(yīng)用將會被更大化地進(jìn)行開發(fā)，從而更有利于我們生活的領(lǐng)域。

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