石墨烯技术的应用前景

石墨烯的制备方法与应用

摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的热潮。

关键字: 石墨烯, 制备, 应用,氧化石墨烯，传感器

石墨烯的定义

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。

石墨烯的结构

完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形)。

如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;

可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。 单原子层石墨晶体薄膜。

每个原胞中两个碳原子，每个原子与最相邻三个碳原子形成三个σ键。

每个碳原子贡献一个多余p电子，垂直于graphene平面，形成未成键的π电子——良好的导电性。

石墨烯的性能

最薄——只有一个原子厚

强度最高—— 美国哥伦比亚大学的专家为了测试石墨烯的强度，先在一块硅晶体板上钻出一些直径一微米的孔，每个小孔上放置一个完好的石墨烯样本，然后用一个带有金刚石探头的工具对样本施加压力。结果显示，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为2．9 微牛左右。按这个结果测算，要使1 米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55 牛顿的压力，也就是说，用石墨烯制成的包装袋应该可以承受大约两吨的重量。

石墨烯技术的应用前景

石墨烯是近年来备受关注的材料，具有优异的导电、导热、力学和化学性质。在科学家们的不懈努力下，石墨烯制备技术已经得到了较大突破，其广泛的应用前景也逐渐显现出来。

一、电子领域

随着芯片制造技术的不断提高，电子产品的性能越来越强大。而石墨烯作为一种优异的导电材料，则是其应用的一个重要方向。相比传统的金属导线，石墨烯导线具有更小的线径和更好的导电性，可以大大提高电子产品的传输速度和稳定性。此外，石墨烯的高透明度也使其成为一种优秀的透明导电膜材料，适用于显示器等电子产品的制造。

二、能源领域

随着全球能源消耗的不断增加，石墨烯的应用在能源领域也变得越来越重要。石墨烯电池作为其中的一种应用，具有高能量密度、长寿命、快速充电等优点，将成为未来可再生能源开发的重要技术之一。此外，利用石墨烯的吸附性能，可以制造高效的污染物吸附材料，可以用于净水、净空等领域。

三、医疗领域

石墨烯的化学稳定性和生物相容性，使其在医疗领域具有巨大的应用前景。利用石墨烯的导电性和高强度，可以制造医疗器械和人工器官等高科技产品。同时，石墨烯的吸附性能也为生物医学领域提供了新的思路，可以用于抗生素释放、药物输送等方面。

四、材料领域

除了以上提到的领域，石墨烯的应用在材料领域也不容忽视。利用石墨烯的力学特性和吸附性能，可以制造高强度、轻质的复合材料。同时，石墨烯的导热性能和高表面积特性，使其可以用于制造高效的散热材料。

综合来看，石墨烯的应用前景十分广阔，涵盖了多个重要领域。尽管目前存在一些瓶颈问题，例如规模化生产、材料稳定性等方面，但相信随着技术的不断提高和研发团队的不懈努力，石墨烯的发展必将迎来前所未有的机遇。

石墨烯技术产业现状及发展建议

1 石墨烯技术产业：现状及发展建议

石墨烯是一种具有罕见性能的单层原子层碳材料，2018年被国际

认可并列入《国际材料科学与工程术语》，是一种具有重要的基础理

论和应用价值的新型功能性材料，其中很多应用前景令人振奋。

石墨烯技术产业目前在材料、仪器、制造及设备、电子零部件、

电池及储能、高速隧道及地下管道、建筑材料、生物医疗、海洋技术、

传感器、汽车行业有着广泛的应用，同时在比较早期石墨烯的发展过

程中，我国石墨烯技术产业也取得了突飞猛进的发展，2018年我国石

墨烯行业综合市场规模已达20.2亿元，2019年市场规模仍在持续上升

的态势，预计到2020年市场规模将超过50亿元。

然而，石墨烯技术产业仍面临着系统性发展困境。从制造过程中

质量控制、研发石墨烯应用遇到的基础科学未解决问题以及国内产业

链发展缓慢等方面，已经明显阻碍了石墨烯产业的发展步伐。

针对石墨烯技术产业这些发展困境，其发展建议如下：

（1）推动到产业化。政府应支持石墨烯在基础理论与原材料研发、

应用领域的技术和工艺的创新，加快现有石墨烯关键材料、设备和半

成品行业的企业化、产业化发展。

（2）发展价值链。不断优化我国石墨烯的价值链结构，加快从原

料到半成品到成品的转化过程，研发先进的端到端解决方案。 （3）建立发展团队。着力培养高端石墨烯技术研发人才，建立专

业服务团队，加强市场营销服务，以实现石墨烯技术及应用的深入开

发和实践。

总的来说，石墨烯技术的发展潜力巨大，政府需要继续支持其在

基础理论与原材料研发、应用领域的技术和工艺的创新，培育多元发

展团队，极大地提升石墨烯产业资源整合能力，最终让石墨烯技术得

以全面应用。

石墨烯行业现状

2021年预计石墨烯市场规模过将达2000亿元。石墨烯作为新材料产业的先导，在带动传统制造业转型升级，培育新兴产业增长点，推动大众创业、万众创新的作用越来越显著。以下对石墨烯行业现状分析。

2018年中国石墨烯市场规模有望达到280亿元，未来五年年均复合增长率约为70.48%，发展势头十分迅猛。2019年中国石墨烯市场规模将达560亿元，2020年中国石墨烯行业市场规模将突破千亿元。2019-2023年均复合增长率约为56.39%，石墨烯商情报告预测在2023年中国石墨烯市场规模将突破3000亿元，达到3350亿元左右。

2015-2023年中国石墨烯行业市场规模统计情况及预测

石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，是目前已知的最薄也最坚硬的纳米材料，具有超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的导热和透光性等特性，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身，在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能,是主导未来高科技竞争的超级材料，被称为“黑金”、“新材料之王”。现从五大发展措施来分析石墨烯行业现状。 一是抓住机遇，有所作为。石墨烯行业现状分析，目前我们与发达国家处于同一起跑阶段，要抓住机遇，在推进产业化方面尽快有所作为。在世界石墨烯材料革命竞争中，率先创新，引领发展，实现由“跟跑者”向“领跑者”的跨越。

二是制定规划，重点支持。石墨烯行业现状分析，建议有关方面认真调研，制定石墨烯研发和产业化发展规划。在国家层面设立创新专项，给予重点支持，以企业为主体，产学研协同创新，推动跨越式发展。

三是防止利用石墨烯炒作。石墨烯行业现状分析，石墨烯可以代替石油，一旦突破将对我国产生巨大的效益，而且降低了石油在国际战略中的地位，对增强我国能源战略安全具有重大意义。但是，目前市场中已经出现了利用投资者的预期在股市里炒作圈钱的行为，给投资者造成损失，也影响到石墨烯产业的健康发展，对此需要予以重视并制定相应的对策。