石墨烯的十大用途，石墨烯的神奇之处

近年来，石墨烯这个词越来越常见，我们经常听到各种媒体公布的各种研究进展以及石墨烯将如何改变我们的生活的报道。那么石墨烯到底是什么？它真的有那么强大吗？它在科学界扮演什么角色，目前可以商业化使用吗？了解世界之星：——石墨烯。

什么是石墨烯？碳是一种非金属元素，属于元素周期表第二周期IVA族。拉丁语“carbonium”的意思是“煤、木炭”。碳是一种非常常见的元素，以各种形式存在于大气、地壳和生物体中。您可能仍然知道石墨是什么，但不知道石墨烯。事实上，石墨烯是由碳元素组成的，但其结构与普通碳不同。就像我们都熟悉的钻石一样，它实际上是一块碳。然而，碳原子的空间结构不同。

金刚石碳原子结构

石墨烯是从石墨中分离出来的。它是一种具有单原子层的二维碳纳米材料。层内的碳原子通过共价键连接并呈现蜂窝状结构。石墨是一种常见的矿物。它由许多层组成。石墨有很多碳原子，呈层状，层与层之间可以剥落，所以用在铅笔上，书写时层层剥落，留下痕迹。石墨对我们来说是一种非常常见的物质。石墨烯是一种纳米尺寸、单层、二维结构。

石墨矿物

石墨的层状原子结构

石墨烯的结构如下图所示，其中碳原子在同一平面上排列成六元环。碳原子以键的形式相互连接，每个碳原子形成三个键，这使得石墨烯获得了良好的力学性能。碳原子周围剩余的价电子形成垂直于碳平面的大共轭键，因此电子可以在石墨烯平面之间自由移动，这也保证了石墨烯具有优异的导电性能。石墨烯中的长程共轭键赋予其良好的热力学、机械和导电性能。

石墨烯的原子结构

大键的形成

2004年，《科学》杂志首次报道曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分离出稳定的石墨烯，并讨论了石墨烯材料的基本性质。长期以来，人们一直认为具有单原子层的二维材料不稳定并且不可能在自然界中获得。直到2004年，诺沃肖洛夫和同事才使用一种非常简单的胶带剥离方法，将石墨剥离成单层石墨烯，开创了石墨烯等二维纳米材料的新时代。他们的石墨烯研究荣获2010年诺贝尔物理学奖并引起世界轰动，推动了石墨烯材料的研究，推动了石墨烯在物理、化学、材料、生物医学和环境领域的研究。旨在将石墨烯商业化的新产品也不断出现。多国政府已将石墨烯材料作为国家重大发展目标，对石墨烯材料的投入不断加大。近年来，有关石墨烯的研究报道迅速增多，引发了许多疑问和困惑。

石墨烯有哪些优异性能？1、导电性

石墨烯的结构非常稳定，迄今为止研究人员尚未发现石墨烯中有任何缺失的碳原子。石墨烯中碳原子之间的键非常灵活，当施加外机械力时，碳原子的平面会弯曲变形，无需重新排列碳原子来适应外力，结构稳定。被维持。这种稳定的晶格结构赋予碳原子优异的导电性。由于石墨烯中的电子在轨道上移动，因此它们不会因晶格缺陷或外部离子源的引入而散射。原子力非常强大，在室温下，即使周围的碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子也几乎不会受到干扰。石墨烯最显着的特点是其中电子的速度达到光速的1/300，远远超过普通导体中电子的速度。这导致石墨烯内的电子，或更准确地说是“载流子”，其行为与相对论性中微子非常相似。

2、机械性能

石墨烯是人类已知的最强材料，比金刚石还要坚硬，比世界上最优质的钢材强100 倍。石墨烯的理论杨氏模量达到1.0TPa，比拉伸强度为130GPa。氢等离子体改性的还原石墨烯也具有优异的强度，平均模量高达0.25TPa，但其断裂强度尚未见报道。此外，人们现在正在组装纸张等材料。该材料的平均弹性模量和极限断裂强度分别达到32 GPa和120 MPa。

石墨烯碳纳米管

3、热性能

石墨烯具有非常好的导热性能。纯无缺陷的单壁石墨烯具有5300W/mK的高导热率，这是迄今为止任何碳材料中导热率最高的，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管。它也会更贵。碳纳米管(3000 W/mK).mK)。作为载体时，其导热系数可达600W/mK。

石墨烯在电子设备散热应用中具有非常广泛的潜力，因为它可以将电子产品运行过程中产生的大量热量快速散发到空气中，获得更好的运行性能和稳定性。石墨烯因其较高的热电转换效率和独特的物理化学性质而引起了众多科学家的关注。最近的研究发现，石墨烯由于其透明性、柔韧性、快速加热以及整个石墨烯片的温度均匀性而被认为是理想的加热元件。

当今许多旗舰智能手机都使用石墨烯贴片来散发手机热量并最大限度地提高手机性能。

手机利用石墨烯散热

石墨烯替代硅生产半导体芯片的工业应用

目前，晶体管由昂贵的硅制成，用于电子设备时会产生热量，但另一个因素是速度越高，电子的高速碰撞越激烈，从而产生更多热量。限制电子产品速度的重要因素。由于室温下的量子自旋霍尔效应，电子在石墨烯中移动时没有阻力，几乎不产生热量。此外，石墨烯本身具有很高的导热性，产生的热量很快就散失了。因此，石墨烯电子器件的运行速度比石墨烯电子器件更快。硅。石墨烯还可用于制造高频晶体管。目前，高频晶体管主要使用半导体材料硅或更昂贵的磷化铟。在相同的工作电压下，石墨烯中电子的速度比磷化铟快10倍。硅胶材质多100倍。

半导体芯片

研究人员还证明，在石墨烯中掺杂一定数量的多电子分子可以改变其电化学性能，在此基础上他们制造了n型晶体管并将其应用于基于石墨烯的电路中，迈出了重要的一步。石墨烯芯片处理器的频率预计将达到1 THz或更高。虽然目前石墨烯的研究还处于基础研究阶段，但其优异的性能以及生产石墨烯的原料是廉价的石墨，使得石墨烯在电子产品的生产中可以代替硅。非常宽。

柔性显示

石墨烯因其优异的导电性、透明性、可弯曲性和优异的机械强度，在柔性显示领域具有广泛的应用潜力。与ITO相比，石墨烯具有更好的柔韧性和透光性。这种超柔性石墨烯层可用于许多产品，例如可折叠电子产品、柔性触摸屏和可穿戴设备。

柔性显示

锂离子电池

常规锂电池的非碳负极材料主要采用锡基、硅基材料等过渡金属材料，这使得负极材料更容易出现脱落、裂纹等现象，循环性能变差显著地。石墨烯改性复合材料的添加不仅提高了材料的稳定性、导电性和储锂能力，还延长了其使用寿命。这与电池行业的发展理念是一致的。同时，石墨烯由于其优异的导电性和机械性能，还可以用作锂电池的负极材料。石墨烯的应用改善了一些高储锂容量但电导率低的材料的性能，同时也增强了正极材料的力学性能，延长了使用寿命。石墨烯还可以作为电极材料中的添加剂，增加添加剂的电导率，改善循环性能和高速性能。通过不断的实验和研究，石墨烯可以逐步替代石墨、乙炔黑等传统电池添加剂。

石墨烯对现代工业无论是工业上还是军事上都产生了巨大的影响，自2004年发现以来的十多年来，石墨烯因其独特的机械、光学、电学等物理性能而被广泛应用。身体和身体特征。其化学性质引起了世界各地许多科学家的关注。随着石墨烯在材料领域的迅速崛起，氮化硼、二硫化钼、黑磷等几种结构相似的二维纳米材料也蓬勃发展。纳米材料引起了全世界科学家的关注。目前，关于石墨烯的制备方法的报道较多，但各种制备方法的局限性限制了石墨烯的应用研究和产业化发展，挑战在于如何找到方法。 -高质量石墨烯仍然是当前石墨烯研究的热点和问题。此外，通过加快石墨烯功能化和复合材料的研究，其应用领域可能会扩大。随着科学家不断深入研究，石墨烯及其复合材料在新能源材料、生物医学、水净化、纳米电子器件等领域具有广泛的潜在应用。