1. 首页
  2. 石墨烯新闻

10亿欧元 的~石墨烯(Graphene)

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。[1]英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。[2]

2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动。

研究历史

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。[4]

2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池(下称石墨烯OPV),破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。[3]

2018年6月27日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布新制订的团体标准《含有石墨烯材料的产品命名指南》。这项标准规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。[5]

内部结构

石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键,并有如下的特点:碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子,近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键,新形成的π键呈半填满状态。研究证实,石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米,键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外,每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似),因而具有优良的导电和光学性能。[6]

力学特性

石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa,固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度,平均模量可大0.25TPa。

另外,石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到,而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。[8]石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应,在碰到杂质时不会产生背散射,这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量,他们的速度是和动能没有关系的常数。石墨烯是一种零距离半导体,因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下,传统半导体的主要点通常为Γ,动量为零。

热性能

石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK,是为止导热系数最高的碳材料,高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时,导热系数也可达600W/mK。[7]此外,石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。

溶解性:在非极性溶剂中表现出良好的溶解性[15],具有超疏水性和超亲油性。[16][17]

熔点:科学家在2015年的研究中表示约4125K[18],有其他研究表明熔点可能在5000K左右。[19]

其他性质:可以吸附和脱附各种原子和分子。[20]石墨烯有芳香

主要应用

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

基础研究

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,可以在小型实验室内用石墨烯进行。[40]

零能隙的半导体主要是单层石墨烯,这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的,说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外,石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化,其不但对载流子的浓度进行改变,同时可以掺杂不同的石墨烯。[41]

传感器

石墨烯可以做成化学传感器,这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。[42]石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。[43]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检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。[6]

红外光束激发等离子体石墨烯传感器示意图

晶体管

石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。[7]

柔性显示屏

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在耳后。[7]

石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点,使之成为储氢材料的最佳候选者。

航空航天

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年,美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要。

复合材料

基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入, 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。[7]石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料,增强了复合材料的许多特殊性能。[6]

复合材料

生物

石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化[46],同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极,而不会改变或破坏性能,如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性,石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。[47]石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效,而且不会伤害到人体细胞。[6]

发展前景

石墨烯的研究与应用开发持续升温,石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。[48]研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料。并通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进,降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的应用,并逐步走向产业化。[49]

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势,从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。

石墨烯面料

科学科普专栏作者

这种材料厚度是A4纸的1/100万,却可以轻松抵挡子弹!

最近,美国研究人员创造了一种新的超级材料,它的厚度仅为纸张的1/1000000,却可以轻松抵挡子弹射击的冲击力,比金刚石还要坚不可摧。许多科学家对此材料的未来抱有极大希望!这一项目由美国纽约市立大学高级科学研究中心(ASRC)所领导。我们知道,单层石墨烯的厚度仅为一个C原子…

北京市科协主办科普网站

石墨烯染发剂,更持久更健康

石墨烯绝对是一种神奇的材料——它可以使脏水变成饮用水;用它来喂蜘蛛可以令其吐出地球上最坚硬的蜘蛛丝;除此之外,仅仅一颗子弹的撞击就可以把石墨烯变成钻石。你知道的,这都是日常操作。最新的石墨烯应用——“不含化学物质的”黑色染发

不仅保暖,石墨烯材料制作的衣服还能防止蚊虫叮咬?

2018 年的平昌冬奥会闭幕式,温度很低。「北京 8 分钟」的表演者就是在低温的条件下圆满地完成了表演任务。帮助他们抵御严寒天气的服装用的就是石墨烯这种智能材料。它是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,几乎完全透明,只吸收 2.3% 的光,导热系数高达 5300 W/m·K,…

西屋踢脚线取暖器T5暖风机家用节能远红外电暖气火炉石墨烯电暖器 【包邮】

【在售价】899.00元

【券后价】599.00元

【下单链接】https://m.tb.cn/h.eCD0Wr6

—————–

复制这条信息,$kzSIYA3AcrI$,到【手机淘宝】即可查看

爆款礼盒石墨烯抗菌内裤女士4条装无缝无痕纯棉底裆三角裤 【包邮】

【在售价】139.90元

【券后价】39.90元

【下单链接】https://m.tb.cn/h.exxJTsN

—————–

复制这条信息,$4l33YA3yb9L$,到【手机淘宝】即可查看

金丝玉帛花青素石墨烯修护面膜提亮肤色吸黑清洁面膜贴收缩毛孔女 【包邮】

【在售价】79.90元

【下单链接】https://m.tb.cn/h.eCDYvZw

—————–

复制这条信息,$rUgIYA3zBVW$,到【手机淘宝】即可查看

2019年新款石墨烯加绒加厚棉裤发热裤秋裤女士打底裤内穿冬保暖裤 【包邮】

【在售价】129.00元

【券后价】99.00元

【下单链接】https://m.tb.cn/h.eCDcUNd

—————–

复制这条信息,$2LruYAeaj28$,到【手机淘宝】即可查看

石墨烯打底裤女外穿自发热保暖裤加绒加厚高腰踩脚裤袜恒温裤冬季 【包邮】

【在售价】128.00元

【券后价】118.00元

【下单链接】https://m.tb.cn/h.eyTANFp

—————–

复制这条信息,$5kddYAe0g5c$,到【手机淘宝】即可查看

原创文章,作者:正伟2020,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/1245.html

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注