石墨烯結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用

江 文，陳玉祥

（西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

石墨烯結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用

江 文，陳玉祥

（西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

簡要介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，并對石墨烯在微電子、超級電容器、光學(xué)、燃料電池以及涂料等領(lǐng)域的應(yīng)用做了重點(diǎn)闡述。最后對石墨烯在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用及出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，同時指出石墨烯在今后的發(fā)展方向，并對石墨烯的研究前景做出展望。

石墨烯；材料；涂料；應(yīng)用

石墨烯具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)及優(yōu)秀的力、熱、光、電等物理性能，在微電子、超級電容器、涂料、電池等各種工業(yè)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，其制備工藝成熟同時在各領(lǐng)域都得到了廣泛的實(shí)用[1]。石墨烯對物理學(xué)、化學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，石墨烯是目前自然界中最薄最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%，隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，基于已有的研究成果，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，能為該領(lǐng)域帶來巨大的收益。

1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

石墨是由碳原子通過sp2雜化，形成的六角型二維蜂巢晶格型平面薄膜，可理解是單層的石墨。而石墨烯是由碳原子組成的且只有一層原子厚度的碳材料，它是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新型二維材料，也是一種單層的石墨薄片，它僅有一個碳原子的厚度（0.335nm），是已發(fā)現(xiàn)的最薄二維材料[2]。

2 石墨烯的應(yīng)用

2.1 微電子領(lǐng)域

石墨烯作為一種新型的二維碳材料，由于其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及穩(wěn)定的化學(xué)特性，因而在微電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的電子遷移速率比硅材料中的電子遷移率高很多，這在微電子領(lǐng)域有著極大的影響，甚至可將石墨烯晶體管等用于制造超級計(jì)算機(jī)，應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中可以提升它的運(yùn)算速度，還能夠節(jié)約電能[3]。

2.2 超級電容器

超級電容器作為一種新型儲能器件，具備了電池和電容的雙重特性。通常來講，超級電容器的電極制作材料一般需要有兩個特點(diǎn)：一是材料要有高電導(dǎo)率，二是電極材料要具有高比表面積。通常來說，工業(yè)領(lǐng)域是使用活性炭或者碳納米管兩種材料來提高電極的導(dǎo)電性和比表面積的。因此相對來說，石墨烯復(fù)合材料是制作超級電容器的理想的電極材料之一。比起活性炭，石墨烯具有更好的導(dǎo)電性、更穩(wěn)定的性質(zhì)以及比表面積和比強(qiáng)度較大等良好的理化性能，而石墨烯具備這些優(yōu)點(diǎn)能夠達(dá)到制作超級電容器電極材料的要求[4]。

2.3 涂料

石墨烯由于其具有良好的化學(xué)惰性以及對氧氣、水具有很好的阻隔作用而受到了研究者的關(guān)注，被應(yīng)用于金屬腐蝕防護(hù)研究中。石墨烯的抗氧化能力、對氧的阻隔性能，特別是金屬材料的保護(hù)主要是形成沉積層，而起到阻隔作用被科學(xué)家們逐漸關(guān)注，并利用此性能開發(fā)出新的防腐材料[5]。

2.4 電池

燃料電池裝置是一種比較好的儲電源，具有高效且對環(huán)境污染很小的優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。但制造電池的催化劑性能不是很好，導(dǎo)致燃料電池的制備成本偏高。而石墨烯能作為燃料電池中的載體主要是能夠阻止粒子的遷移、更好地提升催化劑的穩(wěn)定性以便能夠提高電池的綜合性能[6]。鋰離子電池也是一種理想的綠色電源，具有高電壓、高能量密度、充電效率高、自放電效應(yīng)小、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、無污染等多個優(yōu)點(diǎn)。

2.5 其他領(lǐng)域

基于以上石墨烯的各種優(yōu)良性能，石墨烯還在晶體管方面、光學(xué)、醫(yī)療器材、儲氫材料、超輕汽車或飛機(jī)建筑物、防彈衣等相關(guān)材料能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。相信在不久的將來，石墨烯會在更廣泛的領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用，為社會創(chuàng)造更多的財(cái)富[7]。

3 結(jié)語與展望

由于目前的工業(yè)領(lǐng)域以及相關(guān)技術(shù)的限制，目前市場及實(shí)驗(yàn)室并沒有制得純度較好及面積較大的石墨烯材料[8]。未來研究者們的工作重點(diǎn)將集中在以下幾方面進(jìn)行：①長時間探索改進(jìn)石墨烯的制備工藝途徑，利用低成本制備出面積大、缺陷少、無其他摻雜的高產(chǎn)能石墨烯；②在制備過程中設(shè)法提高石墨烯的各方面性能，使其能夠?yàn)楦嗟念I(lǐng)域做出貢獻(xiàn)；③進(jìn)一步探究石墨烯的形成原理和生長機(jī)制，加大對其結(jié)構(gòu)與綜合性能的實(shí)驗(yàn)研究；④通過各種便捷的方法來改善和彌補(bǔ)在使用石墨烯材料所帶來的缺陷，同時研究其失效原理[9]。

[1] 閆立群，徐亭，趙闊，等.石墨烯工業(yè)化應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，（2）：1-3.

[2] 曹圣平，孫百亞.石墨烯的制備與應(yīng)用[J].化工管理，2016，（20）：66.

[3] 賈子龍.石墨烯的研究進(jìn)展及展望[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2016，45（3）：29-32.

[4] 李慧慧，林沐璇李露，等.淺談石墨烯在電子器件中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2016，（10）：8-9.

[5] 王清海，王秀娟，方健君，等.石墨烯在涂料中的應(yīng)用[J].涂料技術(shù)與文摘，2016，（09）：14-16.

[6] 徐馳，朱和國.石墨烯的制備及其在能源方面的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2016，（02）：326-332.

[7] 伊春海，王志，張莉莉，胡津康，王紀(jì)孝，王世昌.含聚乙烯基胺共混固定載體復(fù)合膜制備及其CO2/CH4分離性能[J].化工學(xué)報，2006，（4）.

[8] 項(xiàng)菲，施耀，李偉.混合有機(jī)胺吸收煙道氣中CO2的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2003，（4）.

G r a p h e n e S t r u c t u r e，P r o p e r t i e s a n d A p p l i c a t i o n s

Jiang Wen，Chen Yu-xiang

This paper briefly introduces the structure and properties of graphene，and focuses on the application of graphene in microelectronics，supercapacitors，optics，fuel cells，coatings and other fields.Finally，the application and problems of graphene in various fi elds are summarized，and the future development of graphene is pointed out，and the prospect of graphene research is prospected.

graphene；materials；coatings；application

O648.17；TB332

A

1003-6490（2017）08-0061-01

2017-05-04

江文（1993—），男，安徽安慶人，碩士在讀，主要從事油氣田材料腐蝕與防護(hù)研究工作。