石墨烯材料在目前的应用专题.ppt

石墨烯 定义：石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨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。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料几乎完全透明，只吸收2.3%的光，导热系數高達5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨烯的特性石墨烯的特性总结；1.比表面积大，具有极强吸附能力，稳定性强，是目前已知吸附能力最强的材料。2.独特的电子结构、电阻小、电导率高，高导电性等优异的电学性能。3.优异的力学性能。强度高、密度小、同时具有良好的韧性。4.透明、耐高温、耐酸碱腐蚀、高热稳定性和化学稳定性。（一）石墨烯材料在吸附分离中的应用 一方面在于它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、高的机械强度、化学性质稳定及比表面积大等突出优点，另一方面，与石墨烯结构类似的炭纳米管材料表现出了良好的吸附性能，而且石墨烯与炭纳米管相比，比表面积更大，且更易进行结构的调控和设计。故可作为天然的吸附材料。1.在水污染处理方面，石墨烯具有极高的表面积，故具有极强的吸附能力，可作为重复使用的吸附剂，吸附水中的重金属及有机染料、溶剂及泄露的原油等，从而达到净化水的目的。2.在大气污染治理与防治方面，石墨烯可作为吸附剂吸附空气中的有害物质，还可用来制造高灵敏传感器用于大气污染物的检测。3.在土壤污染治理方面，石墨烯可作为可回收、吸附容量高的吸附剂材料进而对有机污染物和重金属进行吸收。（二）石墨烯材料在毛细管电泳中的应用石墨烯类材料在毛细管电泳中的应用研究正处于一个起步阶段。氧化石墨烯由于其含氧基团的存在及其水溶性等优点使得其在毛细管电泳中得到了初步的应用、并实现了中药活性成分、芳香类化合物以及手性物质的分析。1.石墨烯对毛细管电泳中电化学检测器电极的修饰2.氧化石墨烯毛细管整体柱的制备3.石墨烯(氧化石墨烯)修饰毛细管柱内壁4.氧化石墨烯功能化材料应用于芯片毛细管电泳（三）石墨烯材料在分离膜中的应用 氧化石墨烯（Graphene Oxide，简称GO）的结构与石墨烯大体相同，只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连接有大量含氧基团，是化学氧化法制备单层石墨烯的中间体。氧化石墨烯亲水性强、机械性能高、比表面积大且具有片状结构，这些特性在对聚合物分离膜性能的改进方面发挥了重要作用并提供了思路。以氧化石墨烯为基质制备出的混合基质膜，较未添加氧化石墨烯的单一组分膜在亲水性、机械强度、通量、截留等方面都有不同程度的提高。通过相对简单的制备方法，就可以得到高选择性、高渗透性、抗污染的分离膜。（四）石墨烯材料在生物、医药领域的应用 利用细菌在石墨烯上不能生长，所以可制造石墨烯防菌纱布，此外，石墨烯在药物运输、细胞成像、肿瘤治疗、生物检测等方面都具有很好的用途。石墨烯材料在生物医药领域的应用十分广泛，其中氧化石墨烯可以用来制备纳米抗菌生物材料。石墨烯具有高的热稳定性和化学稳定性，并且能在金属表面与活性介质之间形成物理阻隔层，从而有效地阻隔水和氧气等气体原子的通过。石墨烯用作金属防护涂层，可以防止其与腐蚀性或氧化性的介质接触，对基底材料起到良好的防护作用。同时，石墨烯还能对镀层金属起到钝化作用进一步提高其耐蚀性能。另外，金属材料常用的聚合物涂层容易被刮坏，而石墨烯优良的机械性能和摩擦学性能可以提高材料的减摩、抗磨性能。石墨烯超轻、超薄的特性也使其对基底金属无任何影响。（五）石墨烯材料在金属防腐中的应用（六）石墨烯材料在电化学领域的应用 由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性，石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景。1.超级电容器2.锂离子电池 由于石墨烯具有特殊的原子结构和电子结构，使其在复合材料中也有一定的结构优势和性能优势，特别是在锂离子电池中充当负极材料，在锂离子的脱插过程中，可以在一定程度上缓冲材料体积的“伸缩运动”延长材料的循环寿命及增强其性能。3.太阳能电池透明电极材料 氧化石墨热膨胀后热处理还原得到的石墨烯制作为透明导电膜，应用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的结果。4.6.传感器材料 由于石墨烯独特的电子效应，使石墨烯在高灵敏检测领域具有非常广阔的应用前景。目前研究较多的石墨烯传感器还有石墨烯压力传感器、石墨烯温度传感器、石墨烯湿度传感器、石墨烯光学传感器、石墨烯场效应晶体管传感器等（七）石墨烯材料导热导电塑料领域的应用 导热导电塑料是将树脂和导热导电填料混合，用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料，主要应用于电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。石墨烯是当前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最好的纳米材料，是理想的导热导电填料，优于常用的导电导热填料，如银、铜。石墨烯与塑料复合，不仅可以改善塑料的导热导电性能，还可以减少填料的添加量，增强其力学性能，兼具超薄和超轻特性。（八）其他方面 1.石墨烯薄膜是经过石墨烯的氧化物还原得到的,它能通过非共价功能化,可用于制造大面积的薄膜材料,具有优于其他材料的特性,如可控渗透性、离子导电体各向异性、超电容性等。2.热管理方面石墨烯作为极佳的散热材料，可用于硅基芯片散热、LED灯散热、石墨烯导热胶、石墨烯导热复合材料等诸多领域，还可用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、卫星电路、激光武器、高集成度系统热点等的散热。在加热领域，石墨烯被认为是实现快速加热的理想元件。由于石墨烯具有韧性以及表面温度可以迅速扩散，因此石墨烯加热器件可在潮湿的冬季使用。结论 作为1世纪最具应用前景的新材料之一，石墨烯的每项技术发明都给该题材注入了新的生命力，石墨烯的奇特性质还有很多有待发现，在不久的将来石墨烯材料制作的器件可能将大大改善人们的生产和生活方式。可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。