石墨烯材料研究进展与应用

1、石墨烯材料研究进展与应用4000 BC, China4000 BC, SE Euroceramic paintfuel400 BC, Indiagemstone1985, USA1996, Nobel ChemistryHarold KrotoRobert CurlRichard Smalley1991, NEC JapanSumio Iijima2004, Manchester UK2010, Nobel PhysicsAndre Geim & Konstantin Novoselov“Hall Effect of Graphene”! With Only 6 Years Old !Kons

2、tantin Novoselov (left) and Andre Geim (right) at a 2010 Nobel Prize press conferenceAndre Geim 2000 Ig Nobel Physics Prize2010年生物学奖广东昆虫研究所生物学家因果蝠口交研究而获得了本年度的搞笑诺贝尔生物学奖，他们通过红外摄像机拍摄蝙蝠夜晚活动时发现短鼻果蝠利用口交延长交配时间什么是石墨烯?Graphene is a one-atom-thick layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice. It is t

3、he building-block of graphite (which is used, among others things, in pencil tips), but graphene is a remarkable substance on its own with a multitude of astonishing properties, which repeatedly earn it the title “wonder material”.“单原子层厚度材料 ” “石墨的构筑基元 ” “神奇材料”如何制备石墨烯? 物理法（“自上而下”制备策略）以石墨或石墨插层化合物（GICs

4、）为原料，采用物理剥离的方法制备单层石墨烯/少数层石墨烯 微机械剥离胶带法机械剪切法探头式 液相剥离超声波法水浴式均质器流体动力学法破壁机高压均质机Graphite钾插层石墨化合物 KC8 球磨剥离湿法球磨干法球磨 超临界流体（SCF）剥离 化学法（“自下而上”制备策略）以小分子或高分子有机化合物为碳源，采用化学合成的方法制备单层石墨烯/少数层石墨烯 化学气相沉积法（CVD） 产业化生产高质量、大面积石墨烯薄膜最 具潜力的方法； 工艺流程：将碳氢化合物（如甲烷等）通 入到高温加热的金属基底 （如Cu等）表面， 反应持续一定时间后冷却，冷却过程中在 基底表面便会形成数层或单层石墨烯.2013中科

5、院重庆绿色智能技术研究院15 inch2010三星&成均馆大学30 inch 外延生长法 碳化硅(SiC)外延生长法 高温加热SiC单晶，使得SiC表面的Si原子被 蒸发脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，生成基于SiC衬底 的石墨烯 金属催化外延生长法 在超高真空条件下将碳源气体通入到具有催化 活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体 催化脱氢从而制得石墨烯 氧化石墨烯还原法石墨烯的性能 力学性能 硬度最强硬的二维材料，比同尺寸的钢和钻石都要强硬很多；弹簧常数（K）高达50eV/2. 拉伸性能拉伸强度 130 Gpa，是高强钢的100多倍；拉伸（杨氏）模量 1

6、.0 Tpa；断裂伸长率 最耐拉伸晶体，拉伸20%后仍不断裂.碳原子线 线型碳（carbyne） 光学性能 光学声子频率 在所有已知材料中最高 0 1600 cm-1/0.2 eV; 吸光度 在很宽的波长范围内，吸光度仅有2.3%，即高透明性；当 入射光强超过某一临界值时，吸光度会达到饱和； 光学响应频率 有外磁场时，可调谐至太赫兹范围.可用于制备被动锁模激光器曹原，MIT博士生，21岁2018/3/5，Nature， 2篇；两层石墨烯扭曲1.1度“魔角”并冷却至1.7 K，呈现出超导性. 电学性能 载流子迁移率 2.5105 cm2/(V.s) 低温，1.5104 cm2/(V.s) 室温；

7、 电导率 108 S/m； 零带隙 限制了石墨烯在半导体材料相关领域的应用； 超导性 其它电学性能/电子效应 具有室温量子霍尔效应、双极性电场 效应、反常量子霍尔效应等，这使得石墨烯在电子器件等领域具 有重要应用. 热学性能 热导率 各向同性热导体，5000 W/m/k; 熔点 5000 K； 热稳定性 真空环境可耐温至2800 oC，空气中700oC （CNT）. 其它性能 低密度 0.77 mg/m2 高防渗性 即使是氦原子也不能透过单层石墨烯 超高比表面积 高达2600 m2/g 石墨烯的应用领域 环保领域 污染物吸附与过滤、海水淡化 电子电气领域 晶体管、传感器、替代硅的芯片材料、柔性

8、 显示屏（可穿戴设备） 光学领域 新型感光元件 能源领域 新能源电池、储氢 生物医学领域 细胞成像、组织工程、干细胞工程、生物传 感器 航空航天领域 航天传感器、超轻型飞机用复合材料 复合材料领域 多功能聚合物复合材料、高强度陶瓷材料 化学催化领域 催化剂载体 太空电梯 “太空电梯”工作原理图Graphene-based Cable应 用 示 例 石墨烯灯泡2019.08国防科大厚度最薄的灯泡 - 0.34 nm44的石墨烯发光阵列器件;可有效控制石墨烯灯泡的发光强度，实现梯度发光；有望应用于高分辨率的柔性显示和成像领域. 柔性显示屏2010年 韩国三星，3.1电阻触控屏； 2013年 中科院

9、重庆绿色智能技术研 究院，7柔性电阻触控屏；2014年 剑桥大学& Plastic Logic，首 个柔性显示屏2015年 重庆，全球首批3万部5.5量 产石墨烯手机面世；2016年 广州奥翼，世界首次研发成 “石墨烯电子纸显示屏”；2018年 韩国电子通信研究院，开发 成功一种基于透明石墨烯电 极的柔性OLED面板.首个柔性显示屏石墨烯手机石墨烯电子纸显示屏石墨烯OLED 铝电池正极材料经250,000次冲/放电循环后，在400 A/g的超高电流密度下（1.1 s内完成充电），电池仍保有约120 mAh/g的高比容量;在循环寿命和倍率性能上超过以往所有电池;该电池能在-40120 oC宽温度

10、范围内正常工作，也能在弯曲10,000次后正常工作. 光电探测器 性能 以50 GHz的运行速率， 实现从可见光区至红外 光区 ( 0.6A/W0.8m 11.5A/W20m) 的 高响应度光检测； 应用 可扩大在成像和传感系 统中的应用范围和潜在 用途； 可显着改善夜间热成像 或医疗诊断应用； 可用于环境传感技术， 以更准确地识别污染物 浓度. 药物输运AuNP 可加速透过细胞膜;DOX 阿霉素，抗癌药物；HepG2 肝癌细胞；DOX alone DOXGNC-RGODOX alone did not distribute well in the cells.DOX loaded on GNC-RGO was well-distributed inside the cells. 复合材料 抗静电复合材料 电磁屏蔽复合材料PS microsphereGPS microspherePS/G nanocomposite世界各国石墨烯产业发展布局2014-2025年全球石墨烯石墨烯产业规模前瞻2010-2017年全球石墨烯相关论文与专利统计（2006年）中国石墨烯产业发展布局 2012年 工信部发布新材料产业“十二五”发展规划，首次 明确要积极开发石墨烯等纳米材料； 2015.05 国务院印发中国