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石墨烯新材料的多领域应用
发布时间:2022-07-18 点击次数: 213

  编者按

  石墨烯是一种新型材料,在众多新材料中,具备导电性强、强度高、导热率高、透光率高等性能,并具备发射远红外波的特性,是目前发现的最薄、最坚硬、导电性能最强的材料。在石墨烯研究发展过程中,其制备方法逐渐成熟、性能逐步优化,应用也越来越成熟与广泛。

  石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料,由碳原子和其共价键所形成的原子网格,碳碳键距离仅为1.42 Å,石墨烯内部的碳原子之间的连接柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,从而保证结构稳定。

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#石墨烯在汽车中的应用

  1.1 电动汽车储能

  电源、电控、电机是纯电动汽车的三大系统。目前,作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池,三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性,这为石墨烯的运用提供广泛的运用空间。

  1.1.1 锂电池电极材料

  相对于铅酸电池、镍氢电池,锂离子电池具备能量密度大、循环寿命长、绿色环保、安全性能好等优点。2004年,沃尔沃公司就展示了锂离子电池概念车。如今,日产汽车、丰田汽车、比亚迪汽车、江淮汽车等均在纯电动汽车领域推出相应的量产车型。石墨烯的特殊微观结构有利于锂离子的嵌入与迁出,从而能够提高锂电池的能量密度、功率密度等性能,这一方面已经获得了一系列的研究成果。

  石墨烯作为负极材料应用于锂离子电池,比容量可以达到540 mAh·g-1;通过研究石墨烯片层上的孔洞大小,发现孔洞的大小与锂离子电池的快速充放电有很大关系;制备的石墨烯/Co3O4阳极材料比容量可达935 mAh·g-1;美国PNNL国家实验室利用石墨烯破解了锂空气电池一系列难题,有望大幅提高电池容量。

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  1.1.2 超级电容器电极材料

  超级电容器是基于亥姆霍兹双电层理论的一种新型储能器件,与锂电池相比,具有功率密度大、循环寿命长、充电速度快、维护保养简单等优点,但其能量密度较低。目前,超级电容器作为车用动力电源主要集中在城市公交领域,在公交车站铺设充电装置,上下乘客时间电量即可充满。运用于电动汽车的超级电容器碳电极材料因为导电性、比表面积等因素使得能量密度较低,石墨烯的出现,为解决这一问题指明了方向。将石墨烯进行活化处理, 采用TEABF4/AN 电解质所组装的电容器能量密度高达70 Wh·kg-1;在石墨烯纸上电沉积MnO2 制备的二元复合纸比电容可达328 F·g-1;另有研究人员通过在石墨烯纸上阳极电化学沉积的方法制备的复合纸比电容可达233 F·g-1。

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  1.1.3 储氢材料

  在燃料电池领域,氢燃料是未来发展方向。氢能源在汽车上的应用研究发展很快,通用汽车已推出的第三代燃料电池汽车,车速每小时已可达160 km·h-1、续航里程400 km。储氢材料的纳米化是提高储氢能力的一个重要方向。目前,用于储氢的材料,如镧镍系稀土、镁系合金等,价格均非常昂贵。而石墨烯因具备纳米结构,同时成本相对较低,是储氢材料的较好选择。利用石墨烯和碳纳米管设计一个三维储氢模型,这种材料掺入锂离子,在常压下储氢能力可以达到41 g·L-1。

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#轻量化材料

  2.1 电加热座椅

  电加热座椅是高档、豪华汽车的必备装置之一。美国加州大学一项研究显示,石墨烯的导热性能优于碳纳米管,碳纳米管的导热系数可达3000 W·Mk-1以上,而单层石墨烯的导热系数可达5300 W·Mk-1、甚至有研究表明其导热系数高达6600 W·Mk-1。把石墨烯作为增强材料加入聚苯乙烯中,可得到强度高、导电导热好、质量轻的复合材料;在聚合物中加入5%(质量分数)的石墨烯后,复合材料导热系数比聚合物基体的高4倍。这些材料均可作为高性能的导热材料,因为石墨烯超二维纳米结构,可以保证热量在加热区域内的均匀释放。

  2.2 车身涂装领域

  在理论领域,利用密度泛函理论计算得出,石墨烯薄膜表面的水分子之间的结合能大于其与石墨烯的吸附能,使得水分子以水滴形态存在,表明石墨烯具有疏水性。利用抽滤法制备厚0.8 nm的石墨烯薄膜,研究表明此薄膜呈现高疏水性,接触角高达140°。布法罗大学研究人员将石墨烯喷涂于钢表面,浸泡于海水中可以保持一个月不生锈,而普通高性能涂料仅能维持几天时间。因为石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构,可以将其运用于车用涂料领域,提高防腐效果。

  2.3 汽车电路

  目前,电路技术所用硅晶体管尺寸已经接近了相关物理定律的极限,在尺寸方面很难有更大突破。研究表明,与硅相比,电子在石墨烯内移动阻力更小,消耗能量更少;同时,基于石墨烯的晶体管尺寸可以更小,从而可实现更高的集成度。因此,石墨烯被称之为后摩尔时代取代硅的微电子材料。随着技术的成熟,基于石墨烯的电路完全可以用于汽车。

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  2.4 车用导电功能塑料

  在汽车燃油供给系统中,以快速紊流方式流动的燃油能产生静电,用于燃油供给系统的部件(包括油箱,油管接头,过滤器等)需要其导电率能阻止静电堆积,消除火花、爆炸等危险。目前,以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成功应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能,且制备成本更低,完全可以用于导电功能塑料领域。制备的聚合物基/石墨烯复合材料(石墨烯含量为2.5%)导电率可达1 S·m-1左右,比用碳纳米管填充的聚合物复合材料导电率高4倍。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面,方便车身的静电喷涂,省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

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#石墨烯的其他应用领域

  3.1 集成电路

  石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质:高载流子迁移率以及低噪声。2011年,IBM成功创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器,电路处理频率高达10GHz,其性能在高达127℃的温度下不受影响。石墨烯纳米带具有高电导率、高热导率、低噪声的特点,是集成电路互连材料的一种选择,有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点,他们在纳米带的某些特定位置改变宽度,形成量子禁闭(quantum confinement)。石墨烯纳米带的低维结构具有非常重要的光电性能:粒子数反转和宽带光增益。这些优良品质促使石墨烯纳米带放在微腔或纳米腔体中形成激光器和放大器。研究表明可将石墨烯纳米带应用于光通信系统,发展石墨烯纳米带激光器。

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  3.2 石墨烯晶体管

  2005年,Geim研究组与Kim研究组发现,室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率,并且受温度和掺杂效应的影响很小,表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 K下可达0.3 m),这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势,使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间,超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。在现代技术下,石墨烯纳米线可以证明一般能够取代硅作为半导体。

  3.3 透明导电电极

  石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要 良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度、柔韧性以及透光性优于常用材料氧化铟锡。通过化学气相沉积法,可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜,主要用于光伏器件的阳极,并得到高达1.71%能量转换效率;与用氧化铟锡材料制成的元件相比,大约为其能量转换效率的55.2%。

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  3.4 导热材料/热界面材料

  研究表明,室温下石墨烯的热导率(K)已超越块体石墨(2000 W/m•K)、碳纳米管(3000~3500 W/m•K)和钻石等同素异形体的极限,达到5300 W/m•K,远超银(429 W/m•K)铜(401 W/m•K)等金属材料。优异的导热和力学性能使石墨烯在热管理领域极具发展潜力,石墨烯基薄膜可作为柔性面向散热体材料,满足LED照明、计算机、卫星电路、激光武器、手持终端设备等高功率、高集成度系统的散热需求。这些研究成果为结构/功能一体化的炭/炭复合材料的设计提供了一个全新视角。

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  3.5 传感器

  石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感,即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应的方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。当然,这种效应也会发生于别种物质,但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够侦测这微小的电阻变化。

  3.6 超级电容器与锂离子电池

  由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。由于良好的导电性和巨大的比表面积,石墨烯可在锂离子电池中有广泛的应用:可直接作为锂离子电池负极,也可与SnO2、Si等材料复合作为锂离子电池的负极。石墨烯的修饰可有效缩短锂离子电池的充电时间并增加锂离子电池的功率密度。

  3.7 太阳能电池

  作为有机太阳能电池 (OPV电池的重要材料,石墨烯/聚合物片材已被生产,大小范围在150平方厘米。这有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池。2010年,首次构建了石墨烯与硅结合的新型太阳能电池。在这种简易的石墨烯/硅模型中,石墨烯不仅可以作为透明导电薄膜,还可以界面处分离光生载流子。这种可以与传统硅材料结合的结构,为推动基于石墨烯的光伏器件开辟了新的研究方向。

  3.8 石墨烯生物器件

  由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。科学家希望能够发展出一种快速且便宜的快速电子DNA定序科技。他们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言,他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、C、G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。

  3.9 抗菌物质

  中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。

  3.10 石墨烯感光元件

  新加坡南洋理工大学研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过其特殊结构,让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1,000倍,而且损耗的能源也仅需原本的1/10。与许多新的感光元件技术相同,这项技术初期将率先被应用在监视器与卫星影像领域之中。

  3.11 海水淡化

  研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度地胜过其他的海水淡化技术。通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法,改变石墨烯小孔边缘的性质,使其能够排斥或吸引水分子。这样这种特制的石墨烯就如同筛子一样能快速地滤掉海水中的盐,而只留下水分子。海水淡化工艺的关键是非常精确地控制石墨烯孔洞的大小。


  本文转载自“淄博国创中心 NEVC Zibo”微信公众号,内容略有改动。