石墨烯当前的应用领域总结和展望

     石墨烯在热学、力学和电学方面，都能发挥自己的特性。所以石墨烯的制备和生产技术能够直接影响到很多行业。

　　归纳分析石墨烯的各类功能，将来运用的领域将会十分广阔，首要集中在电子行业及化工行业，尤其是在电子行业的锂电池电极、触摸屏、超级电容领域和化工行业的涂层、保险、吸附、淡化领域等。

　　复合材料领域

　　1. 抗静电塑料

　　通常，高分子材料表面电阻率大于1 012 Ω·cm， 抗静电包装材料要求表面电阻率为107～1 011 Ω·cm，通常使用碳黑作抗静电剂，填充的质量分数高达15%，对塑料制品的力学性能、表面光洁度有劣化影响。此外，碳黑易从基体中析出，从而造成电子器件短路等问题。因此，业界一直在尝试使用具有更高导电性能的纳米碳材料(如碳纳米管)作为抗静电剂，可以将石墨烯抗静电塑料母粒作为研发方向。

　   2. 电缆屏蔽树脂

　　随着国家输配电等级的提高，尤其是电动汽车的快速发展，电网电流稳定性降低，电缆中过氧化物的放热和局部放电问题日益突出。石墨烯拥有良好的导电性、导热性和高比表面积，建议研究机构重点开展电缆屏蔽树脂中石墨烯的添加比例、均匀分散等研究。利用研发和生产机构重点解决加工成型等难题，快速形成专利，并在电缆加工和生产企业推广应用。

　　3. 合成橡胶添加剂

　　美国Vorbeck Materials公司开发了“Vor-x”石墨烯导电添加剂，在橡胶中添加质量分数为4%的“Vor-x”石墨烯，其导电率达到0.3 S/m。同时，石墨烯拥有极高的硬度，在橡胶中加入适宜比例石墨烯，可有效提高轮胎耐磨性，降低滚动阻力。

　　4. 抗拉伸改性树脂

　　石墨烯作为添加剂在树脂中的应用还有很多，如聚丙烯母粒/石墨烯、聚丙烯片材/石墨烯、超高相对分子质量聚乙烯纤维/石墨烯等。欧洲Nano Masterd的项目组负责人表示，添加质量分数为5%的石墨烯能把热塑性聚烯烃和聚丙烯的性能增强1倍，把质量分数为1%的石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯混合，复合材料的拉伸弹性模量提高80%。石墨烯增强的热塑性复合材料和色母粒能适应现有生产，为注塑、挤出和吹膜大批量生产零部件赋予新的特性。美国OvaTIon Polymers公司已经推出了石墨烯热塑性色母料和复合母料。此外，厦门凯纳石墨烯技术有限公司开发了导电石墨烯微片，聚碳酸酯中添加质量分数为10%的石墨烯微片就可达到导电级别;与添加质量分数为10%的超导炭黑(价格为20多万元/t)性能相当。美国XG Science公司也提供导电石墨烯微片产品。

　　应用领域

　　1. 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。

　　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。

　　2. 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。

　　3. 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。

　　4. 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。

　　5. 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。

　　6. 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)。

　　国外对石墨烯的研究展望总结

　　1. 利用石墨烯膜可以将盐从海水中分离

　　地球表面大部分被水所覆盖，但是由于大量的盐的存在，使得我们很难将它当做饮用水的来源。为了解决这个问题，曼彻斯特大学的研究人员已经开发出一种可扩展的、孔径大小均匀的氧化石墨烯薄膜，它可以过滤掉极其微小的盐颗粒，而不过多影响水的流动。

　　由于石墨烯膜被淹没在水中时会变得膨胀起来，它不能过滤掉那些极其微小的普通盐离子。为此，他们找到一个通过物理方式来控制薄膜在水中膨胀程度的方法。该方法使它们比普通盐离子的孔径更小，从而过滤掉不想要的盐、颗粒和分子。与此同时，这种薄膜仍然允许水流十分顺利地通过。

　　从长远来看，有研究小组指出，调整孔径大小以过滤特定离子的基本思想可以应用于不同的薄膜，也有着不同的用途。

　　2. 变形或破裂时可变色的石墨烯涂层可检测裂纹

　　德国莱布尼兹聚合物研究所研究团队开发了一种石墨烯涂层，它在变形或破裂时可改变颜色。例如，机翼和其他飞机部件可以产生微小的裂纹，当受到突然的压力时，可能会导致故障。在这项新的努力中，研究人员已经开发了一种这种材料的涂层，这将使检查员更容易发现可能导致故障的微小裂纹。

　　通过使用特殊的沉积方法重叠具有有序和无序特征的石墨烯纳米片(GNP)，实现了独特的“鱼鳞”结构。通过精细平行多层膜的机械调谐观察到可变结构着色。 此外，结合可变结构着色和电气感测功能的方法，使用几种颜色来解决“交通灯”中的危险报警和安全性系统，他们为材料故障前的危险等级和微裂纹的早期警告带来了第一个有价值的步骤。

　　3. 石墨烯光电晶体管有望用于光学技术

　　石墨烯是一种薄碳层，可应用于光电方面，研究人员正在努力研发石墨烯光电探测器，这些器件对许多技术都至关重要。然而，由石墨烯制成的典型光电探测器仅仅能小面积感应光，因而也限制了其性能。

　　目前，研究人员通过将石墨烯与相对质量较大的碳化硅材料相结合，研制出了可被光激活的石墨烯场效应晶体管，因而解决了这个问题。”高性能光电探测器可应用于诸多方面，包括天体物理学高速通信、超灵敏摄像机、感测应用、可穿戴电子设备等。另外石墨烯晶体管阵列会带来高分辨率成像和显示。未来研究方向主要包括探索诸如闪烁体、天体物理学成像技术和高能辐射传感器等。

　　4. 石墨烯有望促进神经细胞再生

　　一种非常规的工程技术也许能够克服神经再生的障碍。来自爱荷华州立大学的科学家们已经开发出了一种利用喷墨打印机的纳米技术，这种技术可以生成多层石墨烯电路。这种技术的最终结果有望将间质干细胞(形成骨、软骨和脂肪细胞)转化为施旺细胞，这种细胞在促进神经细胞的康复中起着多种作用。

　　在一份声明中，共同第一作者、爱荷华州的生物化学工程博士后研究员Metin Uz说，“这项技术可能会获得一个更好的方法来分化干细胞。” 然而，改进这种方法可能会影响体内受损神经的修复方式。

　　根据该团队的研究结果，可以得出结论：“灵活的石墨烯电极可以适应损伤部位，并为神经细胞再生提供了直接的电刺激，这些结果为体内神经再生铺平了道路。”

       石墨烯的研究还在继续，石墨烯的应用领域也会越来越广泛，石墨烯有望在医学等行业都发挥自己的作用。