第一篇：石墨烯性質與應用

石墨絮是絕緣體還是導體？

2007-03-18 09:11 紫月影夭兒 | 分類：學習幫助 | 瀏覽1906次| 該問題已經合并到>>

提問者采納 2007-03-18 09:15 有一種稱為石墨炸彈的武器在戰時被用來破壞敵方的供電設施,這種炸彈不會造成人員傷亡,而是在空中爆炸時散布大量極細的石墨絮,這些石墨絮是 導體飄落到供電設備上,會造成 短路,從而使供電系統癱瘓評論(1)|贊同36

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2007-03-20 23:50dolphin027|二級

準確說石墨是禁帶寬度僅為0.08eV的半導體，表觀上具有金屬導電性，其根源在于其π電子的遷移率很高，但載流子濃度(電子濃度)不大。評論|贊同0 查看更多其他回答石墨的比熱容和導熱系數是多少

2007-05-17 15:21 shenzhen_he | 分類：學習幫助 | 瀏覽4880次

提問者采納 2007-05-17 15:32 石墨比熱 710 J/(kg·K)電導率 0.061×10-6/(米歐姆)熱導率 129 W/(m·K)石墨的兩種晶體結構怎么分辨

2011-08-23 16:45 hubin821 | 分類：化學 | 瀏覽1504次

石墨存在兩種晶體結構：六方形結構和菱形結構，六方形結構為ABABAB?堆積模型、菱形結構為ABCABCABC?堆積模型，如下圖所示：（a）為六方形結構，（b）為菱形結構。

我手上現在有份天然石墨樣品，不知道怎么分辨是什么石墨，是鱗片石墨還是微晶石墨，或者說里面含多少六方的多少菱形的提問者采納 2011-08-30 08:45 只能用x射線衍射分析（XRD）才能知道含多少六方（六方晶系）的多少菱形（三方晶系，菱面體）。鱗片石墨是指材料的宏觀外形，肉眼可以判斷。微晶石墨說的是材料中的石墨以很小的晶粒雜亂無章地排列（晶粒內部規則排列為六方形結構或菱形結構），晶粒的大小同樣可以用x射線衍射分析測定。x射線衍射儀在一般的省會城市中的比較有名的理工科大學都有，可聯系其分析測試中心或材料或化學院、系、所。（官網上查聯系方式），一個樣品費用100元左右。提問者評價謝謝 評論|贊同1 caoyuannust |十四級采納率82%

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2011-08-25 17:401257721|四級

你應該問的是石墨和金剛石的區別。石墨與金剛石都是碳單質，且為同素異形體，區別在于原子的排布形式不同。碳有三種同素異形體，即金剛石、石墨和無定形碳。無定形碳有炭黑、木炭、焦炭、骨炭、活性炭等。統稱黑碳。這三種同素異形體的物理性質差別很大。但在氧氣里燃燒后的產物都是二氧化碳。1.金剛石的晶體結構金剛石是典型的原子晶體，在這種晶體中的基本結構粒子是碳原子。每個碳原子都以sp3雜化軌道與四個碳原子形成共價單鍵，鍵長為1.55×10-10 m，鍵角為109°28′，構成正四面體。每個碳原子位于正四面體的中心，周圍四個碳原子位于四個頂點上，在空間構成連續的、堅固的骨架結構。因此，可以把整個晶體看成一個巨大的分子。由于C—C鍵的鍵能大(為347 kJ/mol)，價電子都參與了共價鍵的形成，使得晶體中沒有自由電子，所以金剛石是自然界中最堅硬的固體，熔點高達3 550 ℃，并且不導電。2.石墨的晶體結構石墨晶體是屬于混合鍵型的晶體。石墨中的碳原子用sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形蜂巢狀的平面層狀結構，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子。這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2雜化軌道構成的平面，形成了大π鍵。因而這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質。而平面結構的層與層之間則依靠分子間作用力(范德華力)結合起來，形成石墨晶體.石墨有金屬光澤，在層平面方向有很好的導電性質。由于層間的分子間作用力弱，因此石墨晶體的層與層之間容易滑動，工業上用石墨作固體潤滑劑。3.無定形碳所謂無定形碳是指其內部結構而言。實際上它們的內部結構并不是真正的無定形體，而是具有和石墨一樣結構的晶體，只是由碳原子六角形環狀平面形成的層狀結構零亂而不規則，晶體形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量雜質。無定形碳包括： 炭黑 木炭 焦炭 活性炭 骨炭 糖炭無定形碳跟少量砂子、氧化鐵催化劑混合，在約3500℃中加熱，使產生的碳蒸氣凝聚，可得人造石墨。而跟中子數無關，原子的質子數相同而中子數不同時，叫作同位數。自然界中碳元素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期為5730年，14C的應用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測年法；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。我是做化學的，希望對你有幫助。以后不懂的還可以找我。鱗片狀石墨 性質：呈鱗片狀、薄葉片狀晶質的石墨，大小一般為(1.0～2.0)×(0.5～1.0)mm，最大4～5mm，片厚0.02～0.05mm。鱗片愈大，經濟價值愈高。多呈浸染狀、片麻狀分布于巖石中。具有明顯的定向排列。與層面方向一致。石墨含量一般為3％～10％，最高20％以上，常與古老變質巖(片巖、片麻巖)中石英，長石，透輝石等礦物共生，在火成巖與石灰巖接觸帶也可見到。鱗片狀石墨具層狀結構，其潤滑性，柔韌性，耐熱性和導電性能均比其他石墨好。主要用作制取高純石墨制品的原料。土狀石墨 土狀石墨又稱非晶質石墨或隱品質石墨，這種石墨的晶體直徑一般小于1微米，是微晶石墨的集合體，只有在電子顯微鏡下才能見到晶形。此類石墨的特點是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性也差。品位較高。一般的60～80％。少數高達90％以上。礦石可選性較差。評論|贊同0 其他類似問題

石墨烯的結構與性質問題

2010-12-18 22:09 zzk314 | 分類：工程技術科學 | 瀏覽3397次

石墨烯是正六邊形的嗎?它的π電子是共軛的嗎?是像石墨一樣的共軛的嗎?? 一定要準確,不懂的少裝

提問者采納 2010-12-19 10:26 石墨烯是六邊形的，它的π電子是共軛的，但不像石墨一樣共軛的。

它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結構非常特殊，必須用相對論量子物理學(relativistic quantum physics)才能描繪。

石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。

這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。提問者評價謝謝 評論(1)|贊同6 石墨烯是一種什么物質？

2012-06-03 08:31 似痛心的愛 | 來自手機知道 | 分類：化學 | 瀏覽124次

物質種類、用途、定義，是否環保 我有更好的答案

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2012-06-03 08:37張勇內蒙古伊東|二級

石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構, 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[1]。

石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率(約10 am /V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300 K下可達0.3 m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。石墨烯還可以應用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。

石墨烯的合成方法主要有兩種：機械方法和化學方法。機械方法包括微機械分離法、取向附生法和加熱SiC的方法 ； 化學方法是化學還原法與化學解理法。評論|贊同0 2012-06-03 08:32xi10539093|四級

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料[1]。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在[1]，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎[2]。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料[3]，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光“[4]；導熱系數高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體*高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料[1]。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。

石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網。石墨烯的命名來自英文的graphite(石墨)+-ene(烯類結尾)。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。

石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。

石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管；另外石墨烯還被做成彈道晶體管（ballistic transistor）并且吸引了大批科學家的興趣。在2006年3月，佐治亞理工學院研究員宣布, 他們成功地制造了石墨烯平面場效應晶體管，并觀測到了量子干涉效應，并基于此結果，研究出以石墨烯為基材的電路.石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊，必須用量子場論才能描繪。

石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。[1]發展簡史。第一：石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑 石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優良特性評論|贊同0 查看被隱藏回答2012-12-26 18:411079235453|五級 石墨烯硬度大，導電性能好，有韌性，可彎曲評論|贊同0 其他類似問題 石墨烯奇異物理性質有哪些?

2012-05-27 08:45 西門吹吹風1 | 分類：化學 | 瀏覽509次

提問者采納 2012-05-27 12:59 石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光”；導熱系數高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體*高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。第一：石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑提問者評價太感謝了，真心有用 評論|贊同1

我i國足 |來自團隊心系數學 |五級采納率40%

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2012-05-30 14:07chocolate02091|二級

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；導熱系數高達5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體*高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。評論|贊同0 查看被隱藏回答2012-08-23 18:54li996166749|二級 由碳元素組成評論|贊同0 其他類似問石墨棒導熱性能怎么樣？

第二篇：石墨烯前景

2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一；

十二五規劃

石墨烯是新材料中最為“時髦”的一員。它具有超硬、最薄、負電子的特征，有很強的韌性、導電性以及導熱性。這使其能夠廣泛應用于電子、航天、光學、儲能、生物醫學等眾多領域，擁有巨大的產業發展空間。

因此，石墨烯在2004年被發現后就迅速引發全球范圍內的研究熱。近年來我國在石墨烯研發應用方面的研究不斷加強，各地政府和有關機構加大力度扶持和推動石墨烯產業化發展。

2013年6月，內蒙古石墨烯材料研究院正式成立。這是我國首個與石墨烯材料相關的綜合性研究機構和技術開發中心。

2013年7月13日，在中國產學研合作促進會的支持下，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟正式成立。該聯盟已向有關部門上報了無錫、青島、寧波、深圳四個地方，作為石墨烯產業研發示范基地。江蘇省、山東省等省級石墨烯聯盟已于2013年陸續成立。

2013年12月18日，無錫市發布《無錫石墨烯產業發展規劃綱要》，規劃建立無錫石墨烯產業發展示范區和無錫市石墨烯技術及應用研發中心、江蘇省石墨烯質量監督檢驗中心。力爭把無錫市打造成國家級石墨烯產業應用示范基地和具有國際競爭力的石墨烯產業發展示范區。

2013年12月20日，寧波年產300噸石墨烯規模生產線正式落成投產。

與此同時，上海浦東新區也正籌備建立臨港石墨烯產業園區，并力爭國家石墨烯檢驗監測中心落戶浦東。

石墨烯產業遍地開花。據記者了解，目前，無錫市已設立2億元專項資金，通過補貼、配套、獎勵、跟進投資、股權投資等方式，進一步扶持石墨烯產業發展；寧波為了扶持石墨烯產業發展，也拿出了千萬元以上的扶持資金。業內人士表示，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實現產業化其產值至少在萬億元以上。

推進產業結構優化

第三篇：石墨烯學習心得

石墨烯學習心得

最近這段時間斷斷續續搜集了很多納米材料、半導體物理還有石墨烯的相關資料，主要是來自萬方數據網、超星學術視頻網站、百度文庫還有一些相關網頁博客資料。了解到了很多之前聞所未聞的知識，比如“納米材料的神奇特性、納米科技潛在的危害”等等。

對于石墨烯，主要有如下幾方面不成熟的想法，還望老師您來指正。

（一）在石墨烯新奇特性以及宏觀應用預測方面

有人認為，石墨烯的這些新奇的特性以及預期應用并不能推廣到宏觀尺寸。

第一是認為很多實驗數據都是來源于對微納米級單層石墨烯的實驗研究，不能把納米微米級觀察和測試到的數據無限夸大到宏觀應用；

第二是認為單層懸浮石墨烯的特異性是依靠其邊界碳原子的色散作用而穩定存在，大面積的單層懸浮石墨稀不可能穩定存在。第三是認為目前的大面積石墨烯的應用實例存在相當大的褶皺以及碳原子缺失。因而否定很多2010年諾貝爾物理獎的公告中對于石墨稀的宏觀應用預測，并主張繼續深入石墨烯微觀性能研究，比如半導體器件等研究。

我想：我們最好還是不能放棄石墨烯在宏觀尺度上應用的希望，應該盡最大努力用各種手段去克服所謂的褶皺、碳原子缺失等等導致石墨烯性質不能穩定存在的負面因素，比如采用襯底轉移（CVD）的方式所制大面積石墨烯透明電極尺寸的方法（雖然制得的石墨烯還有很多的缺陷，但至少證明大面積石墨烯還是有可能穩定存在并最終為我們所用的吧，畢竟有宏觀實際應用的材料才更有可能是有發展前景的新型材料）。

（二）在石墨烯制備工藝方面 我們知道，石墨烯非常有希望在諸多應用領域中成為新一代器件，但這些元件要達到實際應用水平,還需要解決很多問題。那就是如何在所要求的基板或位臵制作出不含缺陷及雜質的高品質石墨烯,或者通過摻雜(Doping)法實現所期望載流子密度的石墨烯。用于透明導電膜用途時能否實現大面積化及量產化,而用于晶體管用途時能否提高層控制精度,這些問題都十分重要。今后,為了探尋石墨烯更廣闊的應用領域,還需繼續尋求更為優異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應用。

（三）石墨烯在納米存儲器上的應用前景

傳統的半導體工藝技術已逐漸逼近物理極限，難以大幅度提高存儲器的性能，越來越難以滿足人們對存儲器的要求，要想有突破性的進展，就必須另辟蹊徑，尋找新的原理和方法。

第一是因為傳統半導體存儲器存在容量小數據易丟失等弊端。第二是因為現代化信息爆炸社會迫切要求新型的大容量存儲器的出現。

第三因為是人們對信息存儲的安全性要求越來越高。最后，假如納米存儲技術能夠實現的話，屆時我們電腦中的存儲設備也許會以PB為單位計算，而因存儲介質損壞導致數據丟失的煩惱也將遠離我們。所以我覺得：要是可能的話，以石墨烯為介質的存儲器，應該是一個不錯的研究方向。

第四篇：石墨烯研究現狀及應用前景

石墨烯材料研究現狀及應用前景

崔志強

（重慶文理學院材料與化工學院，重慶

永川

402160）

摘要：近幾年來, 石墨烯材料以其獨特的結構和優異的性能, 在化學、物理和材料學界引起了轟動。本文引用大量最新的參考文獻,闡述了石墨烯的制備方法如機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法、石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法等，分析了各種制備方法的優缺點。論述了石墨烯材料在透明電極、傳感器、超級電容器、能源儲存、復合材料等方面的應用，同時簡要分析了石墨烯材料研究的現實意義，展望了其未來的發展前景。

關鍵詞：石墨烯材料；制備方法；現實意義；發展現狀；應用前景 中圖分類號: TQ323

文獻標識碼:A

文章編號:

Research status and application prospect of graphene materials

Cui Zhiqiang(Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160)Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties.Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods.This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development.Keywords: graphene materials;preparation methods;practical significance;development status;application prospect

0 引言

1985 年英美科學家發現富勒烯和1991 年日本物理學家Iijima 發現碳納米管，加之英國曼徹斯特大學科學家于2004 年成功制備石墨烯之后，金剛石（三維）、石墨（三維）、石墨烯（二維）、碳納米管（一維）和富勒烯（零維）組成了一個完整的碳系材料“家族”。從理論上說，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結構單元，如果從石墨烯上“剪”出不同形狀的薄片，進一步就可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊成三維的石墨，如圖1 所示。由于石墨烯優異的電學、熱學、力學性能，近年來各國科研人員對其的研究日益增長，已經是材料科學領域的研究熱點之一。2010 年諾貝爾物理學獎揭曉[5-6]

[4]

[3]

[1]

[2]之后，人們對石墨烯的研究和關注越來越多，新的發現不斷涌現。在不斷深入研究石墨烯的制備方法和性質的過程中，其應用領域也在不斷擴大。由于石墨烯缺乏帶隙以及在室溫下的超高電子遷移率、低于銀銅的電阻率、高熱導率等，在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復合材料方面有著很高[7]的應用價值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發現了石墨烯在光電探測領域的潛能，并且認為將會是很具發展前途的材料之一。石墨烯材料的制備方法

1.1 石墨烯制備方法

目前，石墨烯的制備手段通常可以分為兩種類型，化學方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化學方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm 以下。物理方法包括：機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法；化學方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優缺點，如機械剝離法簡單，可獲得高品質的石墨烯，但重復性差、產量和產率很低;溶液液相剝離法制備過程簡單且未破壞石墨烯面內原子結構，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來;外延生長法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉移出來;化學氣相沉積法制備的石墨烯具有較完整的晶體結構，石墨烯面積大，在透明電極和電子設備等領域表現出很明顯的應用優勢，但存在產量較低，成本偏高，石墨烯難轉移等缺點。

對比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強酸和強氧化劑作用下進行氧化，制備氧化石墨烯(GO)，然后再還原除去含氧官能團制備石墨烯

［8］

盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團，制備的石墨烯存在缺陷和導電性差等缺點，但是其宏量和廉價制備為其在聚合物復合材料等宏量應用研究中提供了機會。1.2 石墨烯基復合材料的制備

由于薄層石墨烯片合成方法的潛力巨大、成本低廉，所以石墨烯片作為新興填料在石墨烯復合材料上會有廣泛的應用。將石墨烯與無機物、聚合物等復合可以形成石墨烯復合材料。因為石墨烯具有獨特的優異性能，能夠展示良好性能的石墨烯復合材料令人期待。Ｓ．Ｈ．Ｙｕ等

［9］

證實：在還原態石墨烯片上，通過在聚合醇中高溫分解前驅體乙酰丙酮鐵就可以成功合成磁性化還原態石墨烯。通過有效控制石墨烯片上的表面電荷密度和磁性納米顆粒的尺寸就可以調節復合材料的磁性，其獨特的性質使其在磁共振成像或蛋白質分離方面具有一定的應用潛力。目前，石墨烯基復合材料的制備方法主要有化學耦合法、原位還原－萃取分散技術、共沉淀法、催化還原反應

［10］

等。氧化石墨烯是結晶性高的石墨強力氧化后加水分解得到的化合物，與氟化石墨一樣可以歸類為有共價鍵的石墨層間化合物。氧化石墨烯片表面帶有大量親水性酸性官能團，具有良好的潤濕性能和表面活性，從而使其能在稀堿水和純水中分散，形成穩定的膠狀懸浮液，這使得石墨烯與其他材料的復合形式多樣化。如Graeme等［11］將TiO2吸附在氧化石墨烯上通過紫外線輔助的催化還原合成了TiO2－石墨烯納米復合材［12］料；Nethravathi等通過氧化石墨烯與活性陰離子的復合，經還原制備了石墨烯－無機物納米復合材料，說明氧化石墨烯的特殊結構使得石墨烯基復合材料的制備更容易以多樣化的過程實現。

石墨烯復合材料的制備是目前石墨烯研究中的一大熱點，因為雖然石墨烯本身的性能很好，但是與實際應用還有較大的距離，許多研究者希望通過石墨烯的復合達到在電學、電化學等領域實際應用的目的。石墨烯材料的應用研究

2.1 透明電極

工業上已經商業化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO), 由于銦元素在地球上的含量有限, 價格昂貴,尤其是毒性很大, 使它的應用受到限制。作為炭質材料的新星, 石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導網絡的特點被認為是氧化銦錫的替代材料, 石墨烯以制備工藝簡單、成本低的優點為其商業化鋪平了道路。Mullen 研究組通過浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯, 薄膜電阻為900 , 透光率為70% , 薄膜被做成了染料太陽能電池的正極, 太陽能電池的能量轉化效率為0.26%。2009 年, 該研究組采用乙炔做還原氣和碳源, 采用高溫還原方法制備了高電導率(1425S/ cm)的石墨烯,為石墨烯作為導電玻璃的替代材料提供了可能。

2.2 傳感器

電化學生物傳感器技術結合了信息技術和生物技術, 涉及化學、生物學、物理學和電子學等交叉學科。石墨烯出現以后, 研究者發現石墨烯為電子傳輸提供了二維環境和在邊緣部分快速多相電子轉移, 這使它成為電化學生物傳感器的理想材料。Chen 等采用低溫熱退火的方法制備的石墨烯作為傳感器的電極材料, 在室溫下可以檢測到低濃度NO2 , 作者認為如果進一步提高石墨烯的質量, 則會提高傳感器對氣體檢測的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現出不同于其它材料的潛能, 使越來越多的醫學家關注它, 目前石墨烯還被用于醫學上檢測多巴胺、葡萄糖等。2.3 超級電容器

超級電容器是一個高效儲存和傳遞能量的體系, 它具有功率密度大, 容量大, 使用壽命長, 經濟環保等優點, 被廣泛應用于各種電源供應場所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導率, 不像多孔碳材料電極要依賴孔的分布, 這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等

[ 13]

以石墨烯為電極材料制備的超級電容器功率密度為10kW/ kg , 能量密度為28.5Wh/ kg , 最大比電容為205F/ g, 而且經過1200次循環充放電測試后還保留90% 的比電容, 擁有較長的循環壽命。石墨烯在超級電容器方面的潛在應用受到更多的研究者關注。2.4 能源存儲

眾所周知, 材料吸附氫氣量和其比表面積成正比, 石墨烯擁有質量輕、高化學穩定性和高比表面積的優點, 使其成為儲氫材料的最佳候選者。希臘大學Fro udakis 等設計了新型3D 碳材料, 孔徑尺寸可調, 他們將其稱為石墨烯柱。當這種新型碳材料摻雜了鋰原子時, 石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%(w t)。Ataca 等用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯, 利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca 原子摻雜后儲氫量約為8.4%(w t);他們還發現氫分子的鍵能適合在室溫下吸/ 放氫, Ca 會留在石墨烯表面, 有利于循環使用。Ataca 的研究結果又一次推動石墨烯儲氫向前邁進一步。2.5 復合材料

石墨烯獨特的物理、化學和機械性能為復合材料的開發提供了原動力, 可望開辟諸多新穎的應用領域, 諸如新型導電高分子材料、多功能聚合物復合材料和高強度多孔陶瓷材料等。Fan 等

[14]

利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率, 制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復合物, 該復合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠遠大于純聚苯胺的比電容115F/ g。石墨烯的加入提高了復合材料的多功能性和復合材料的加工性能等, 為復合材料提供了更廣闊的應用領域。圖3 對比了幾種納米填料對橡膠增強效率，可以看到石墨烯具有更顯著的增強效果

[15]

。展望

石墨烯自2004年以穩定的形態出現以來，因其獨特的性能和二維納米結構受到科學界的普遍關注。無論在理論還是實驗研究方面，石墨烯都展示出重大的科學意義和應用價值。近年來，石墨烯的研究不斷取得重要進展，在石墨烯透明導電薄膜的結構、性能、制備等方面也已經取得了很多的研究成果，但也存在不少問題。由于制作大面積石墨烯薄膜時會混入雜質，產生缺陷，因此大多數以石墨烯薄膜為器件的導電性及透明性都未達到ITO的水平。為了使石墨烯透明導電薄膜達到實際應用水平，還需要繼續探索透明導電薄膜的制備方法以實現大面積化及量產化；開發有效的摻雜技術以使石墨烯薄膜具有理想的載流子密度；研究更有效的還原與結構修復方法以制備不含缺陷及雜質的高品質石墨烯薄膜。

理論上看，石墨烯是一種理想的太陽電池透明電極材料。然而，目前以石墨烯作透明電極的太陽電池光電轉化效率都低于ITO/FTO基太陽電池。這是由于采用各種方法制備的石墨烯電阻較大，影響了電池的光電轉化效率。所以石墨烯作透明電極的研究重點主要集中在如何采用合適的制備方法，獲得電性能、透光性、力學性能等綜合性能好的石墨烯。對石墨烯內部的位錯、晶界、應變等缺陷進行理論模擬計算，并用來指導實驗研究，最終通過控制位錯、晶界等缺陷的運動，使其性能得到有效控制，實現理論指導實驗、實驗驗證理論、理論與實驗緊密結合。這是獲得大面積、高性能石墨烯的新的著眼點。另外，石墨烯作透明電極時，也會與太陽電池其它部分直接接觸。在未來的研究中，制備高性能石墨烯的同時，也應該關注太陽電池中石墨烯與其它部分的界面情況。

目前，關于石墨烯材料的制備和其在電化學領域的應用研究仍在如火如荼地進行。人們的研究主要集中于３個方面：一是石墨烯的低成本大規模制備的基礎研究，二是石墨烯基復合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關領域的應用研究。隨著人們對石墨烯及其復合材料研究的深入以及制備方法的改進，石墨烯及其復合材料在電化學中的應用將會得到更為廣泛的關注。以下幾方面研究較少，值得關注：(1)石墨烯在鋰離子電池正極材料研究方面（如石墨烯／磷酸亞鐵鋰）；(2)含氮或硼石墨烯在電化學中的應用；(3)氧化石墨烯復合材料在燃料電池中的應用；(4)氧化石墨烯復合材料在電化學傳感器中的應用。與碳納米管的發現與研究應用過程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會越來越深入，其最終進入實際應用階段是必然的。石墨烯材料是當今世界新材料科技發展的又一制高點，對其深入研究與開發將給許多領域的發展帶來巨大機會。

參考文獻

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第五篇：石墨烯應用產業園項目匯報

關于天津九大街石墨烯應用產業園

項目匯報

中晶環境科技股份有限公司

二零一七年九月

前言

石墨烯一種足以改變世界的新材料

2004年英國曼徹斯特大學的康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·蓋姆通過機械剝離法首次成功制備得到了石墨烯。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性最強的一種新型納米材料——石墨烯被稱為“黑金”，是新材料之王科學家曾預言：石墨烯將會掀起一場席卷全球的顛覆性新技術，新產業革命。

石墨烯（Graphene）是從石墨中剝離出來的，是由碳原子組成的只有一層的原子厚度的二維晶體，是自然界最薄，強度最高的新材料。

由于石墨烯的性能優良、功能眾多而被廣泛應用到 “防腐涂料”、“建筑材料”、“電子信息”、“電子元件”“綠色能源”等幾大領域。

一項目概述

1.1、項目背景：

與石墨烯相關的研究和產業化在近年來持續升溫。歐洲、美國、日本、韓國等許多國家和地區都進行了一系列相關研究，支持了許多項目，對推動產業發展做出了戰略部署。近年來，國家出臺眾多政策，支持石墨烯產業化，石墨烯應用的發展與研究。

各國政府紛紛重視和關注石墨烯的同時，眾多企業也積極投入到石墨烯研發和產業化的大潮中。

1.2、項目定位：

中國最大的石墨烯商業化應用產業基地

1.3、項目位置

該產業園位于天津經濟技術開發區第九大街與第十大街之間，占地面積超過20萬平米，配套設施齊全，交通便利，地理位置十分優越。

1.4、項目承建商介紹

中晶環境科技股份有限公司，是專業從事工業煙氣、廢水、固廢一體化協同治理技術的國家高新技術企業。通過FOSS?煙氣綜合治理副產物與城市、工業固廢有機結合，生產出輕質、高強、防火、保溫建筑一體化新型建材，實現綠色循環產業鏈。公司近些年來不斷加大在新材料領域的研發投入，依靠自身技術積累，目前已經具備產業化制備單層、多層石墨烯材料的生產能力。

二、項目介紹

根據Marketsand Markets發布的2020年全球石墨烯市場趨勢和預測最新報告顯示2015年作為石墨烯產業的爆發元年，2015-2020年期間，市場增長率達42.8%。并呈現出以下特征：

一、亞太地區--石墨烯最快增長市場。亞太地區石墨烯市場預計將成為增長速度最快的地區。

二、氧化石墨烯--石墨烯最大市場。氧化石墨烯是石墨烯市場最大門類。

三、能源與材料應用--石墨烯最大、增長最快的應用領域市場。

當前石墨烯產業化的瓶頸主要有兩點，分別是低成本高品質石墨烯原料的規模化制備和石墨烯的商業化應用。2.1、石墨烯的制備

中國在制備高純度大面積大批量制備石墨烯的工藝已經達到了世界領先水平。中晶環境制備的單層石墨烯薄膜采用化學氣相沉積法，低壓狀態下卷對卷式生產方式，簡單易行，效率高，成本低，生產的石墨烯薄膜品質良好，單層率高。產品多用于電子器件領域；多層石墨烯采用氧化還原的方法，純度高，多層石墨烯與復合基體的相容性好，分散均勻，有效提高復合基體的各項性能，主要應用在特種涂料與特種建材領域。

2.2、石墨烯產業化應用 A 特種涂料：

目前國內重防腐涂料消費量近180萬噸，占世界重防腐涂料總消費量的40%以上。我國重防腐涂料需求主要集中在船舶、石油化工、橋梁、集裝箱等領域，涂料領域將會是石墨烯可能應用最快的領域之一。

石墨烯用于涂料中可制備純石墨烯涂料和石墨烯復合涂料，前者主要是指純石墨烯在金屬表面發揮防腐蝕、導電等作用的功能性涂料；后者主要是指石墨烯首先與聚合物樹脂復合，然后以復合材料制備功能性涂料，石墨烯可顯著提升樹脂的性能，除具有傳統涂料的特性外，更具備無機物特性，涂膜與機制相同，具有安全環保、防水透氣、耐堿耐污、防火耐候性、不褪色、抗菌防霉，不會造成二次污染。

涂料中添加石墨烯后，石墨烯能夠形成穩定的導電網格，有效提高鋅粉的利用率，可用1%含量的石墨烯代替50%的鋅粉，達到富鋅涂料相同的防腐效果同時延長防腐時間，而且每噸涂料可以便宜1000多元。

產業園石墨烯特種涂料投產后，年產量為預計為30萬噸，售價1.2萬元/噸，年產值36億元。B 建筑材料：

水泥混凝土時下是建筑領域中最為廉價、應用最廣泛的建筑材料，但隨著高層、超高層建筑的興建，跨海大橋和海底隧道等高難度工程的建設，傳統混凝土材料暴露出越來越多的問題，如抗拉強度低、韌性差、耐候性差、滲透性差等缺陷，將制約混

凝土向高強高性能化、綠色環?；?、高耐久和智能化方面發展。石墨烯優異的各項物理化學性能，在混凝土基體中發揮體積效益

石墨烯的二維納米片層結構，能很好的分散在水泥集體中，促進水泥的水化過程，影響水化產物的大小形狀以及分布，從微觀上徹底改變了水泥水化后的內部結構，從根本上提高了水泥基材料的抗壓強度、抗折強度、韌性等各項力學性能，進而大大延長了水泥基材料的使用壽命。

投產后，生產的含有石墨烯的建筑墻體材料具有保溫效果好，導熱系數低至0.046W/(m·k)等特點。年產能500萬m2，成本為20元/m2，市場售價為120元/m2，年產值6億元。

C 電子元件

探索石墨烯柔性透明薄膜在有機發光二極管（OLED）、柔性顯示屏、太陽能電池、電子散熱及可穿戴電子等方面的應用，主要包括石墨烯柔性透明電極的制備、石墨烯復合薄膜透明電極的制備，并實現石墨烯柔性透明薄膜的中試和產業化。建成后單層石墨烯薄膜年產能4萬m2，年產值近150億元。

四、小結與建議

目前石墨烯產業已被納入國家戰略布局?！吨袊圃?025》首個重點領域技術路線圖把它列為前沿新材料之一。中國“十三五”規劃建議明確提出將加快突破新材料等領域核心技術。到2018年實現石墨烯材料穩定生產，實現在部分工業產品和民生消費品上的產業化應用。

石墨烯產業園一旦建成除了可以給當地創造大量的就業機會，增加當地的財政收

入的同時，更可以吸引相關領域的高端人才聚集，并最終形成以石墨烯新材料為核心驅動的相關產業轉型升級。

市場、資金、技術、成本、人才等等都是企業在經營過程中必須考慮到的問題，這些都離不開政府的政策扶持與支持。石墨烯在全球范圍內作為一種可以撬動產業與技術升級的新材料，在產業化的過程中也面臨著市場培育期長、資金占用量大、人才稀缺等問題。希望相關領導與部門能夠在財政補貼、稅收優惠、土地政策、人才引進等方面給予大力的支持。

中晶環境科技股份有限公司

2017年9月