石墨烯的應用與發展前沿

胡俻瑜

[摘要]：手機充電只需幾秒鐘、史上最薄電燈泡以及光驅動飛行，這些似乎不可能發生的事情卻在石墨烯的引導下成為可能。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·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，從而證實了石墨烯可以單獨存在。石墨烯是一種二維平面結構石墨材料，其獨特的結構使其具有了很多性質。有關石墨烯的研究和運用已經成為現在的熱門話題。本文從石墨烯的應用方面展開論述，并對石墨烯的應用前景進行展望。

[關鍵詞]：石墨烯；正極材料；負極材料； 太陽能電池

1、前言

目前，隨著經濟的高速發展，越來越多的電子設備為我們所用。但隨著時代的發展和社會的需要，電子儲存器件的尺寸在不斷的縮小至極限。而石墨烯的發現恰恰改變了現在這種焦灼的現狀。石墨烯是目前已知的導電導熱性最好的材料之一。石墨烯是碳原子以sp?的單原子層構成的，它構成了其他碳材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元是苯六元環，是有機材料中最穩定的結構單元，因此保證了石墨烯的穩定性。

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

單層石墨烯 一層以苯環結構周期性緊密堆積的碳原子構成

雙層石墨烯 兩層以苯環結構周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構成

多層石墨烯 3-10層以苯環結構周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構成

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稱

2、石墨烯的運用前沿

2.1 石墨烯的電極材料應用

2.1.1石墨烯的負極材料應用

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電性能，在鋰離子電池負極材料領域極具有廣泛的應用前景。而純石墨烯材料由于其首次庫倫循環效率較低、而充放電平臺較高以及循環穩定性較差等缺陷，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極材料使用。但石墨烯可以作為一種較為優異的基體材料，從而在鋰電池復合電極材料中發揮其更為優良的性質以及作用。

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

2.1.2石墨烯的正極材料應用

近年來，隨著對鋰電池等材料電池的不斷研究進展，研究者開始研究石墨烯作為正極從而對材料的性能進行改性。石墨烯原始材料因其優異的電子傳輸能力以及二維高比表面積的特殊結構，從而能夠有效改善正極材料的導電等電化學性能，從而有效提高鋰離子的擴散傳輸能力。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狀導電結構從而達到改善電極材料的導電性能。

值得一提的是：在動力電池領域中，磷酸鐵以及錳酸鋰是最有前途的正極材料。而在研究的正極復合材料中，相比于傳統的導電添加劑方法，石墨烯導電劑的優勢在其更夠用較少的添加量，達到更優異的導電以及電化學性能。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的穩定性，現在研究員們將石墨烯與金屬氧化物復合，形成修飾電極，其中運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、殺菌能力強的功效，同時兼具防霉、除臭、表面超親水效應、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性、光吸收性、透明性、催化性，以及優異的紫外線屏蔽功能，而被廣泛運用于催化、化妝品、涂料、橡膠等多個行業，同時，又在醫藥、航空航天、薄膜防腐、半導體電池等行業有很好的應用前景。

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為酶的固定提供較為良好的微環境。因此，拓展了其在葡萄糖等傳感器中的廣泛應用。科學技術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體，通過氣溶膠的輔助作用，進行自行組裝的方法蒸發了包含有石墨烯、納米二氧化水水的液滴， 從而合成了復合物。石墨烯的邊緣具有親水性，而其中心則表現為疏水的兩親結構，所以可以在蒸發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構，與此同時，具有親水性能的納米二氧化鈦粒子在蒸發過程中進行團聚作用，從而被固定在了石墨烯的球內部，與此同時，氣溶膠液滴在快速蒸發過程中，液滴進行了濃縮，最終壓縮成微米尺寸大小的顆粒。人們可以通過利用該復合材料從而固定修飾電極，進而可以用于電化學檢測葡萄糖。

2.3 太陽能電池

目前，石墨烯的應用成果在不斷被研究人員們發現，并且廣泛地運用于人們的生產生活中。其中之一即是有機薄膜太陽能電池，并且該材料有望使電陽能電池的性能獲得質的飛躍.近來，英國一大學在《自然雜志》上發布了一項最新的成果研究：利用石墨烯薄膜提取大氣中的氫氣元素，并將其廣泛應用到燃料電池領域，該項發現為空氣發電技術打下堅實的基礎。科學界表示這是電池技術史上最具革命性的進步之一。石墨烯因其具有優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。根據某家光子科學研究所的最新研究結果表明：相比于硅材料，石墨烯能夠更高效地進行光電轉化。其中，硅每吸收一個光子只能產生一個電流電子，而在同等條件下，石墨烯則可以產生多個電子。這樣就大大提高了光電的轉化效率。盡管目前石墨烯應用于太陽能電池領域尚處于初級發展階段，但是它的潛力驚人。據調查與實驗數據表示：石墨烯太陽能電池能實現大約為60%的光電轉換率，是目前效率最大的晶體硅制造的太陽能電池的兩倍。該項技術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、飛機生等交通工具提供更加優質的生產材料。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。通過一些研究實驗數據，我們發現：石墨烯可以將藥品傳送到人體的特定位置，在醫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，將一些不必要的化學物質排除在外凈化出可飲用的水。隨著社會及經濟技術的極速推進石墨烯的應用將會更加快速的融入我們的生活，石墨烯的應用會使人們生活與工作的周邊環境不斷發生變化。更加有利于我們的生活。其他材料的出現也在極大限度地方便著我們的學習與生產生活。石墨烯作為研發的熱門材料的一種，在各個領域中將會最大化的發揮自己的作用。通過科研人員的不斷努力探索，我相信石墨烯的應用將會被更大化地進行開發，從而更有利于我們生活的領域。

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