石墨烯应用工程实例

石墨烯的作用~

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‍，石墨烯在很多方面具有良好的特性，目前被广泛应用于一些高科技领域。

首先，石墨烯具有良好的力学特性，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，而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸会异常坚固强韧。
其次，石墨烯具有良好的电子效应，在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上，而且石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小。
第三，石墨烯具有良好的热性能，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，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）；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。
第四，石墨烯具有良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的，大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化，如果施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。
最后，石墨烯‍在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性‍，而且可以吸附和脱附各种分子和原子；目前随着‍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、新能源电池等领域‍。
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科学认识石墨烯的应用价值及未来前景

1、石墨烯粉体
所谓“石墨烯粉体”，实际上就是单层石墨烯和多层石墨烯的混合物。目前公众对石墨烯的理解有些混乱。一些企业或者是媒体报道中虽然号称“石墨烯”，但是事实上可能仅是石墨而已。
事实上，现在全世界对石墨烯也没有一个明确的定义。资料显示，最初的石墨烯仅指一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。2010年诺贝尔物理学表彰的石墨烯研究指的就是这种材料。后续研究表明，从电学性质上讲，两层与三层、乃至十层的碳原子也具有各自特殊物理性质，目前10层以内的说法逐渐被学术界认可。最近成立的中国石墨烯联盟标准化委员会认定，10层以内的碳原子材料才属于石墨烯范围。

2、石墨烯透明薄膜
而石墨烯透明薄膜是利用甲烷或者其它气体在铜箔上生长石墨烯，也就是所谓的气相沉积法，这种方法生产石墨烯更是与石墨资源毫无关系。石墨烯薄膜的生产，其实就是把气体通过一系列处理，特别是高温处理，使其生长在金属衬底上，直至在金属衬底上长满。而石墨烯本身是透明的，对于金属衬底来说，上面有没有附着石墨烯，在颜色上仅稍微有一点点差别，一般人很难看出来。但是，通过这种方法制作的石墨烯的尺寸，基本取决于金属衬底的大小，石墨烯薄膜的尺寸和技术水平关联度不大。在商业化的环境下，探讨石墨烯薄膜的尺寸意义不大，综合经济成本才是关键性的因素。在综合经济成本当中，原料虽然可以忽略，但是生产石墨烯以及石墨烯的转移总体来说还是一个很复杂的过程，每一道工序都在无尘的环境中进行。

3、石墨烯浆料
石墨烯浆料是可以应用与真空显示屏、锂离子电池等电子器件上的导电添加剂，它一般是由石墨烯在高温下起粘结作用的玻璃粉分散于有机载体中，经过轧制而形成粒度小的浆料。制成的浆料可以直接出售给下游企业进行显示屏、锂离子电池等的制备。

总体来看，目前批量生产石墨烯的方式主要有三种：一种是利用化学气相沉积法在金属表面生长出层率很高，面积很大的石墨烯薄膜材料；一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎，形成石墨烯粉体看起来就是很细的黑色粉末；最后一种则是石墨烯浆料，通过加入分散剂制备石墨烯导电浆料，便于下游企业进行深加工使用。也因此，石墨烯的制备的分为：石墨烯薄膜，石墨烯粉体和石墨烯浆料。国内，现在前者以常州二维碳素科技有限公司、格菲电子为代表，中间以第六元素、宁波墨西为代表；后者则是以万鑫石墨谷科技有限公司为代表。下面小编就带大家具体了解一下石墨烯的应用实例。

石墨烯透明导电薄膜实例详解：
2016 年3月3日下午，四川省石墨烯产业技术创新联盟在德阳市成立。在成立大会上，他们宣布石墨烯透明导电薄膜已经进入中试阶段，不久将正式投产生产。石墨烯透明导电薄膜，厚度不足毫米，可以随意弯曲，将广泛运用在手机触摸屏等方面，智能手机软屏、柔性液晶面板等。
其实在导电薄膜应用方面，引领全球的国家是韩国。三星在2010年6月宣布与韩国成均馆大学共同制作了30英寸（对角线约76cm）的石墨烯片。这个巨大石墨烯片的制作方法在某种意义上类似于诺沃肖洛夫所采用的使用胶带的“机械式剥离法”。机械式剥离法是先把粘着胶带(最初使用了Scotch胶带，后来使用的是日本的日东胶带)贴在石墨上，然后通过揭下胶带把石墨烯转印到胶带上。成均馆大学等开发出的方法是采用卷对卷的方式把以CVD法制备于铜(Cu)箔上的石墨烯片转印到大型树脂片上。下图是成均馆大学[1]采用卷对卷的方式制备转移石墨烯薄膜的过程。

卷轴式的转移步骤主要是：
1. 将聚合物膜粘在铜箔上的石墨烯膜上；
2. 化学刻蚀出去铜箔；
3. 将石墨烯薄膜转移到目标基底。日前，这项技术已经成功申请国际专利，主要应用于生产三星公司的触摸屏透明导电电极。
除了上述的转移方法，在国内主要是先在金属基底CVD生长石墨烯，然后用PMMA转移，溶解除去金属和PMMA，制备高质量的石墨烯膜。在实际生产中，为了减少石墨烯膜在转移过程中出现的不完整现象，通常会采用两种方法，再用丙酮溶解PMMA之前滴加少量PMMA溶液部分溶解前一步沉积的PMMA，有利于减少石墨烯与PMMA间的作用力，增强石墨烯与目标基底的接触，保证石墨烯膜的完整性；另外一种方法则是在Cu片上生长石墨烯薄膜，用PMMA转移，用氯化铁溶解金属铜，然后转移到其他基底表面，最后用丙酮溶解去除PMMA，最后把沉积有石墨烯薄膜的基底浸入到浓硝酸中得到P型掺杂的透明导电薄膜。由于其优越的性能，这种透明导电薄膜一般生产成本比较高，产品只适用于高端领域比如航空航天触摸屏，显示屏

石墨烯透明导电薄膜主要用在太阳能电池和显示器件等方面。

大比表面积和宽波段高透光率，可以在很大程度上增加到达激活区的太阳辐射，提高电池在高能谱区的灵敏度，同时还可以用作激活区的抗反射层提高透过率; 另外由于石墨烯的高空穴传输性同时还可以作为功能层应用在太阳能电池中，因此石墨烯薄膜在染料敏华太阳能电池和光伏电池领域的应用得到飞速发展。石墨烯薄膜作为电池的电极，通常用来取代传统的氧化物导电薄膜（比如氧化锡，氧化铟）等形成电池的电极组成部分。下图为石墨烯太阳能电池结构示意图。

(从上到下依次为：Ag-BCP-Cu-CuPc-PEDOT:PSS-Graphene-Quantum Substrate，其中石墨烯替代了之前的ITO薄膜)

平板显示器目前从电子表、游戏机到通讯设备、检测仪器，以及办公室自动化设备，便携个人电脑、电子记事本、录相机、壁挂电视等等无所不用，因为它可达到薄轻如纸，画面精美、低电压、低功耗的要求。而石墨烯透明导电薄膜由于其超薄、透光率高、原料廉价以及性能稳定而备受研究者青睐。如下图：

(1-8层分别是：玻璃-石墨烯-Cr/Au层-聚乙烯醇-液晶-取向层-ITO-玻璃)
借助光学显微镜和拉曼在玻璃基底上制备石墨烯薄膜，同时在其边缘镀上金属铬和金形成一个金属窗，和另一片ITO 形成夹层，在夹层间填上液晶分子，制备出具有高对比度的LCD 器件。

石墨烯导电浆料
在鸡西，一批石墨矿石被采出后经初加工形成了高纯度石墨原料，接着被运到500公里外的哈尔滨。在松花江北岸哈尔滨万鑫石墨谷科技有限公司生产线上，它们 经历一套世界水准复杂工艺的洗礼，完成从“路人”到“明星”的惊人巨变——普通石墨原料成为拥有超高电导性能的石墨烯产品，国内外多家主流锂电池生产企业 已决定采用冰城石墨烯产品。眼下，数吨石墨烯产品将从哈尔滨发货，不久将走上一家国外大型锂电池企业的生产线。石墨烯产品目前主要以导电浆料形态下线，便于下游采购企业直接使用。
石墨烯导电浆料本质上就是石墨烯与聚合物的复合，即石墨烯导电添加剂。石墨烯在锂离子电池上的应用主要有：

1.石墨烯在锂离子负极的应用：石墨烯直接作为锂离子电池负极，这个实现的方式就是石墨烯透明导电薄膜；石墨烯/SnO2 复合材料或石墨烯/Si 复合材料作为锂离子电池的负极，这方面的应用主要涉及石墨烯粉体的应用。
2.石墨烯在锂离子电池的正极的应用：石墨烯与磷酸铁锂、磷酸钒锂的复合做正极，这也是石墨烯粉体的下游应用。
3.石墨烯作为锂电池的导体添加剂则是石墨烯浆料的应用。
在锂离子电池中加入石墨烯导电浆料后，锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性都得到了极大改善，其效果甚至超出了目前高性能动力锂电池用的碳纳米管导电添加剂。针对不同的聚合物基体和不同的需求，石墨烯浆料的制备方法主要有溶液混合。熔融共混和原位聚合法。其中熔融混合法因为成本低，是工业化最常见的方法。

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合水县13674992713： 石墨烯具体能运用在哪些领域? - ？
辛良洛汀： 由于石墨烯的性能优良、功能众多而被广泛应用到锂电子电池、超级电容、导电油墨、触摸屏、软性电子、散热、涂料、传感器等领域,此外,在高频电子、环保、光电、聚合物、海水淡化、太阳能电池、燃料电池、催化剂、建筑材料等领域,也能发现石墨烯的身影.有专家预计,未来几年内,石墨烯将主要用于“导电油墨”、“防腐涂料”、“散热材料”、“锂电池”、“超级电容”等五大领域.

合水县13674992713： 氧化石墨烯的应用 - ？
辛良洛汀： 材料应用范围很广.氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料,具有较高的比表面积和表面丰富的官能团.氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域,因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点. 中国科学院上海应用物理研究所发现将氧化石墨烯应用于PCR技术中,可显著提高PCR的特异性、灵敏度和扩增产量,并可消除扩增中形成的引物二聚体,且优化区间广,可广泛适用于各种浓度和复杂程度的DNA模板.与其他已应用于PCR技术中的碳纳米材料相比,氧化石墨烯对PCR的优化具有更加优异的综合效果.

合水县13674992713： 石墨烯的应用领域是那些?？
辛良洛汀： 多了,石墨烯有太多优越性,应用面很广,太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用.据我了解,其最大的应用就在半导体领域.不过目前最多的还是在...

合水县13674992713： 石墨烯有什么用吗?被应用哪些领域了? - ？
辛良洛汀： 石墨烯有太多优越性,应用面很广,太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用. 其最大的应用就在半导体领域.不过目前最多的还是在理论方面,有待于...

合水县13674992713： 生物质石墨烯应用领域都有哪些? - ？
辛良洛汀： 生物质石墨烯其实就是石墨烯,只是制备方法和来源不一样,采用生物质(秸秆、木质素等)作为原料而制成的石墨烯,其用途和采用其他物理、化学方法制备的石墨烯一样.就像食用油,有采用压榨生产的,有采用有机抽提生产的,生产出来...

合水县13674992713： 石墨烯一般应用在哪些方面?谁可以批量生产石墨烯? - ？
辛良洛汀： 目前中国能够实现石墨烯低成本批量生产的企业是珠海聚碳复材,石墨烯应用很广泛,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板.制造超微型晶体管,润滑油添加剂等等.例如施摩奇的石墨烯润滑油添加剂、新能源电池等等.

合水县13674992713： 石墨烯电池的应用技术有哪些 - ？
辛良洛汀： 1)储电量是目前市场最好产品的三倍.一个锂电池(以最先进的为准)的比能量数值为188wh/kg}而一个石墨烯电池的比能量则超过688wh/kg. 2)用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟. 3)使用寿命长.其使用寿命是传统氢化电池的四倍,是慢电池的两倍. 4)重量轻.石墨烯的特性使得电池的重量可以减少为传统电池的一半,这样可以提高装载该电池的机器的效率. 5)成本低.生产这种电池的公司表示,将来它的成本将比埋电池低77%.

合水县13674992713： 石墨烯应用 - ？
辛良洛汀： 石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约10 万纳米),那么它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂;第二:石墨烯是世界上导电性最好的材料.石墨烯...

合水县13674992713： 谁来给介绍一下,石墨烯的应用领域是哪些? - ？
辛良洛汀： 我 来回答好了,现在的烯时代石墨烯有太多优越性,应用 面 很广,太阳能电池、传感器方 面 、纳米电子学等,功能不要太多太多哦.

合水县13674992713： 石墨烯应用有哪些? - ？
辛良洛汀： 石墨烯的应用可以说是很广泛的,石墨烯发热应用国内首家就是烯旺科技,你可以自己去看下,烯旺科技的石墨烯护腰效果很不错的,现在很多人都有在用.