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盤點丨“二十一世紀材料之王”石墨烯的應用
2021年08月31日 15:04:02
來源：化工儀器網 作者：吳吳吳 點擊量：11168
石墨烯是迄今為止自然界中最強的二維材料，本文列舉了石墨烯在新能源、新材料、生物醫(yī)學、航空航天、石油化工等行業(yè)的應用。
【化工儀器網 行業(yè)百態(tài)】石墨烯，是人類目前已知的強度最高的物質，它是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。
石墨烯最早在2004年被英國曼徹斯特大學的兩位物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫安成功地用微機械剝離法從石墨中分離出來，他們在2010年共同憑借這一發(fā)現獲得了諾貝爾物理學獎，自此，石墨烯走入大眾視野。
據了解，石墨烯是迄今為止自然界中最強的二維材料，它的結構是完美對稱的六邊形，能夠在受到外力沖擊時通過改變形狀來維持穩(wěn)定；石墨烯的強度為普通鋼材的十倍以上，一平方米的石墨烯吊床僅中0.77毫克，并且能夠承受四公斤的重量；不僅如此，石墨烯中有獨特的線性電子能帶結構使得它擁有極佳的導電性和透光性，石墨烯傳導的電子是無質量的狄拉克費米子，它在石墨烯中遷移速度超快，幾乎沒有運動阻力；此外，石墨烯的導熱性優(yōu)于碳納米管和金剛石，擁有良好的導電性。
石墨烯被發(fā)現的時間雖然不長，但它卻憑借著高強度、高導電性、高導熱性等優(yōu)異的性能，被譽為“改變21世紀的材料”，在各個行業(yè)之中大展拳腳，成為材料家族中一顆冉冉升起的“新星”。
石墨烯在新能源電池上的應用（以氫燃料電池為例）
膜電極組件是燃料電池的“心臟”，由質子交換膜、氣體擴散層和催化劑組成，石墨烯憑借其超高的強度、超強的韌性、超輕的質量和超高的透光率在氫燃料電池領域可得到極大的發(fā)揮。
催化劑可以決定氫燃料電池的壽命和放電性能，傳統的燃料電池催化劑之一是鉑，但因其研究成本相對較高，且存在著活性不足、耐久性查等問題，科學家一直在努力尋找能夠代替鉑的材料。石墨烯憑借其優(yōu)異的性能“闖”入了能源電池的研究領域，成為熱點。
研究發(fā)現，將石墨烯自身可以作為一種無金屬催化劑，在表面修飾后能夠增加負載金屬納米粒子的錨定位點，是一種良好的非鉑系金屬催化劑載體。日本東北大學的研究員已經成功利用石墨烯作為鉑的替代催化劑，此研究大大降低了氫燃料電池的成本；英國萊斯大學的教授利用釕納米粒子附著到石墨烯表面上，結果表明性其能與傳統鉑相當，這兩項研究如果應用于市場，將會提升氫燃料的性能并降低氫燃料電池的成本。
在燃料電池中，支撐催化劑層和收集電流的結構是氣體擴散層，優(yōu)異的排水性、透氣性和導電性是氣體擴散層研究的方向。石墨烯作為已知發(fā)現的新材料里導電性最好的材料，也被應用于氫燃料電池的氣體擴散層領域。浙江大學高超教授課題組與英國Northumbria University的Terence Liu博士課題組合作，利用石墨烯氣凝膠代替?zhèn)鹘y燃料電池中的氣體擴散層，此舉將燃料電池的功率質量提升了3倍，并減輕了燃料電池的質量。
質子交換膜在概念上是將氫燃料電池中氫氣與氧氣完全分隔開只允許質子通過的材料，但目前的質子交換膜還達不到裝的要求，石墨烯薄片理論上是非常合適的質子交換膜材料，如果能夠被應用，那必將從根本上提升燃料電池的性能。
石墨烯在生物醫(yī)學生上的應用（以氧化石墨烯為例）
談及石墨烯與生物醫(yī)學，就不得不談起氧化石墨烯，氧化石墨烯是石墨烯的水溶性衍生物，由于它的多官能化及與各種生物分子的高效表面負荷，得到了生物技術領域的廣泛研究，生物醫(yī)學對石墨烯研究的主要關注點在于研發(fā)能夠用于生物分子檢測的氧化石墨烯生物探測器設備、氧化石墨烯的抗菌作用和石墨烯生物安全性研究等。
生物醫(yī)學傳感器可以將生物物質的濃度轉換為電信號并檢測出來，墨爾本大學的研究團隊就研制出可以準確檢測單個分子的基于石墨烯的熱電傳感器，該傳感器首先構造個邊緣為氫鈍化的曲折的石墨烯納米帶，再以納米帶的表面接近單個分子，再進行檢測。
抗生素的出現讓人類對細菌感染類疾病有了對策，為很多疾病帶來了有效的療愈手段，但與此同時，抗生素的濫用也導致了抗生素的耐藥性和抑菌能力減弱的問題。納米材料因其獨特的結構特性，可用于制作安全高效的抗菌劑，氧化石墨烯因在抗菌領域中具有強大的應用潛力而得到人們的重視新加坡南洋理工大學Liu Shaobin等人使用原子力顯微鏡發(fā)現氧化石墨烯通過包裹大腸埃希菌阻斷了其與環(huán)境的交互，從而中斷其增殖。
此外，氧化石墨烯還因其良好的載藥性(表面積大)以及可控靶向(可修飾冠能團多)在癌癥藥物遞送領域有著不錯的前景。
石墨烯在材料方面的應用（以復合材料為例）
石墨烯世紀應用的一個重要方向是基于石墨烯的聚合物復合材料，通過在材料表面添加石墨烯，再加以其他工藝輔助，可以改善聚合物體系的性能和功能，功能化后的石墨烯非常適用開發(fā)高性能聚合物復合材料，如改性塑料、改性樹脂基體等。
現如今國內外對于石墨烯改性塑料的研究主要集中于改善塑料的導電性、導熱性和阻隔性等方面。塑料作為一種絕緣材料，表面電阻可達1×1013Ω以上，在防靜電、到點領域鮮少有應用，而新興填料石墨烯的電子遷移率非常高，具有優(yōu)異的力學性能，與聚氯乙烯結合得到的材料是一種高導電率低逾滲濃度的塑料。另外，將石墨烯與高密度聚乙烯可得到具有優(yōu)異力學性能和抗靜電性能的永久抗靜電高密度聚乙烯復合材料。
在改性樹脂基體方面，大連義邦引進了英國研發(fā)的一種新型納米石墨烯導電填料，將這種填料與傳統環(huán)氧樹脂融合后形成了新一代高導電環(huán)氧樹脂，將其在飛機結構的接頭和維修中用作粘合劑使用可增強其導電性，降低飛機在空中因雷擊所帶來的風險。
石墨烯在其他領域的應用
在石油化工領域，石墨烯納米材料可以作為井眼強度改進劑或鉆井泥漿潤滑液，減少鉆孔磨損，增加泥漿穩(wěn)定性，有理論表明，當石墨烯納米材料作為鉆井泥漿潤滑液使用時，會與油發(fā)生反應從而增加油的流動性，提高原油產量。
在海水淡化方面，一種新型石墨烯氧化物薄膜被英國曼徹斯特大學研究出來，他們通過控制薄膜膨脹從而控制薄膜上空隙的大小的方式實現細小鹽離子的精準過濾，未來這種技術有望實現規(guī)模化、市場化。
綜上所述，石墨烯憑借著其優(yōu)越的性能，除了在新能源、新材料、生物醫(yī)學、航空航天領域有著廣闊的天地之外，作為“二十一世紀材料之王”的石墨烯在石油化工、海水淡化等方面也有所應用，但石墨烯的應用絕不止于此，篇幅有限就不在此多做贅述。
目前，全球范圍內石墨烯的產業(yè)化還處在初期，主要問題集中在上游規(guī)模化制備技術亟待突破、中游產品質量參差不齊，下游也缺乏殺手锏級應用驅動力，一直沒有大規(guī)模的產業(yè)化應用，如何將石墨烯請出科研院所的“象牙塔”是行業(yè)科學家正在努力攻克的難題。
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