石墨烯技术：改变人类未来游戏规则的材料

改委，财政部、工信部三部委联合印发《关键材料升级换代工程实施方案》提出，将紧紧围绕支撑我国新一代信息技术、节能环保、海洋工程、先进轨道交通等四大战略性新兴产业发展，将石墨烯等20种重点新材料实现批量稳定生产和规模应用，并培育30家新材料企业。三部门联合发文，首次将石墨烯列入关键材料。

法律依据：

《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》

第三条能源开发利用应当与生态文明相适应，贯彻创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，遵循推动消费革命、供给革命、技术革命、体制革命和全方位加强国际合作的发展方向，实施节约优先、立足国内、绿色低碳和创新驱动的能源发展战略，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

第四条国家调整和优化能源产业结构和消费结构，优先发展可再生能源，安全高效发展核电，提高非化石能源比重，推动化石能源的清洁高效利用和低碳化发展。

石墨烯有含氧对储能让电极容量降低，导致电极性能恶化的影响。石墨烯的用途众多，可用做各类电子产品的显示屏、环保材料，还在能源领域广泛应用于锂离子电池和超级电容器的电极材料。石墨烯基锂离子电池的应用场景众多。既可应用于分布式基站，使备电单元轻量化、小型化，适应赤道、沙漠，阳光直射等高温极端环境。也可应用于无人机和燃料电池车，完成高温环境下的续航以及安全运行。石墨烯超级电容器作为一种很有前途的储能设备，在保留电极材料高比表面积的同时可增大其能量密度，可为智能手表、柔性电子屏、可折叠手机等可穿戴电子设备提供大功率电源。未来不仅可单独用在需要高功率输出的通信、轨道交通、启停控制等领域，还可与电池形成互补以同时实现高能量密度和高功率密度的电动汽车、交通运输和可再生能源领域。

石墨烯是一种广为人知的二维碳同素异形体，与地球上发现的任何材料一样，用途广泛。它作为最轻、最坚固的材料，其惊人的性能，与它比其他任何东西都更能导热和导电的能力相比，意味着它可以集成到大量的应用中。起初这意味着石墨烯用于帮助改善当前的材料和物质的性能和效率,但在未来还将开发与其他二维(2 d)晶体创造一些更神奇的化合物,以适应一个更广泛的应用。要了解石墨烯的潜在应用，首先必须了解材料的基本特性。

第一次人工合成石墨烯科学家们真的把一片石墨一层一层地解剖，直到只剩下一层。这个过程被称为机械剥落。由此产生的石墨单层(称为石墨烯)只有1个原子厚，因此是最薄的材料，当它对元素(温度、空气等)开放时不会变得不稳定。因为石墨烯是只有一个原子厚度,可以创建其他材料由不合时宜的插入石墨烯层与其他化合物(例如,石墨烯的一层,一层的另一个化合物,其次是另一层石墨烯,等等),有效地使用石墨烯作为原子脚手架的设计的其他材料。这些新创造的化合物也可能是顶级材料，就像石墨烯一样，但可能有更多的应用。

在石墨烯的发展和其特殊性质的发现之后，人们对其他二维晶体的兴趣大大增加，这并不奇怪。这些其他二维晶体(如氮化硼、二烯化铌和硫化钽)可以与其他二维晶体结合使用，应用范围几乎是无限的。所以，举个例子，如果你用复合二硼化镁(MgB2)，它被认为是一种相对高效的超导体，然后在它的硼镁交替原子层中加入单独的石墨烯层，它作为超导体的效率就会提高。或者,另一个例子是在结合矿物辉钼矿(监理),它可以用作半导体,与石墨烯层(石墨烯是一个奇妙的导体)在创建NAND闪存,开发闪存小得多,比现有技术更灵活,(以一组研究人员已经证明在洛桑联邦理工(EPFL)在瑞士)。

石墨烯唯一的问题是，高质量的石墨烯是一种没有带隙(无法关闭)的伟大导体。因此，为了在未来的纳米电子器件中使用石墨烯，需要在石墨烯中设计一个带隙，从而将其电子迁移率降低到目前在应变硅薄膜中看到的水平。这本质上意味着未来需要进行研究和开发，以便石墨烯在未来取代硅用于电力系统。然而，最近几个研究小组已经表明，这不仅是可能的，而且是可能的，我们正在看几个月，而不是几年，直到这至少在基本水平上实现。有些人说，这类研究应该避免，因为它类似于把石墨烯变成它不是的东西。

无论如何，这两个例子只是一个研究领域的冰山一角，而石墨烯是一种可以应用于许多学科的材料，包括但不限于:生物工程、复合材料、能源技术和纳米技术。

生物工程必将是石墨烯在未来成为重要组成部分的领域尽管在使用它之前有些障碍需要克服。目前的估计表明,它不会是直到2030年,当我们将开始看到石墨烯广泛应用于生物应用程序作为我们仍然需要了解其生物相容性(和它必须经历许多安全、临床试验和监管,简单地说,将会花费很长的时间)。然而，它所显示的特性表明，它可能在许多方面给这一领域带来革命性的变化。石墨烯具有较大的表面积、高导电性、薄度和强度，将成为开发快速高效的生物电传感设备的良好候选材料，能够监测葡萄糖水平、血红蛋白水平、胆固醇甚至DNA测序。最终，我们甚至可能看到经过设计的“有毒”石墨烯，它可以用作抗生素甚至抗癌治疗。此外，由于其分子组成和潜在的生物相容性，它可以用于组织再生过程中。

我们将很快开始看到石墨烯用于商业规模的一个特殊领域是光电子领域特别是触摸屏、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(oled)。的材料可以用于光电应用程序,它必须能够传输超过90%的光和也提供电子导电性能超过1 x 106Ω1m1因此低电阻。石墨烯是一种几乎完全透明的材料，能够通过光学传输高达97.7%的光。正如我们之前提到的，它的导电性也很高，因此它在智能手机、平板电脑、台式电脑和电视的液晶触摸屏等光电子应用中非常好用。

目前应用最广泛的材料是氧化铟锡(ITO)，在过去几十年ITO制造技术的发展，使得ITO材料能够很好地应用于这一领域。然而，最近的测试表明，石墨烯有潜力与ITO的性能相匹配，即使是在当前(相对不发达的)状态下。此外，最近的研究表明，通过调整费米能级可以改变石墨烯的光学吸收。虽然这听起来不像是对ITO的很大改进，但石墨烯显示出了额外的性能，通过用石墨烯取代ITO，可以在光电子领域开发出非常聪明的技术。高质量石墨烯具有很高的抗拉强度和柔性(弯曲半径小于可滚动电子纸所需的5-10mm)，这一事实几乎不可避免地使其很快将被用于上述应用。

就潜在的实际电子应用而言，我们最终有望看到基于石墨烯的电子纸等设备能够显示交互式和可更新的信息，以及包括便携式电脑和电视在内的柔性电子设备。

“石墨烯是一种可用于多种学科的材料，包括但不限于：生物工程，复合材料，能源技术和纳米技术。”

石墨烯的另一个突出特性是，虽然它允许水通过它，但它几乎完全不受液体和气体（即使是相对较小的氦分子）的影响。这意味着石墨烯可以用作超滤介质，作为两种物质之间的屏障。使用石墨烯的好处是它只有1个单原子厚度，并且还可以作为屏障开发，以电子方式测量2种物质之间的应变和压力（在许多其他变量中）。哥伦比亚大学的一组研究人员设法制造了孔径小至5nm的单层石墨烯过滤器（目前，先进的纳米多孔膜的孔径为30-40nm）。虽然这些孔径非常小，但由于石墨烯很薄，因此超滤过程中的压力降低。联合目前，石墨烯比氧化铝强得多且不易碎（目前用于低于100nm的过滤应用）。这是什么意思？嗯，这可能意味着石墨烯被开发用于水过滤系统，海水淡化系统以及高效且经济上更可行的生物燃料创造。

石墨烯坚固，坚硬，非常轻盈。目前，航空航天工程师正在将碳纤维纳入飞机的生产中，因为它也非常坚固和轻便。然而，石墨烯更强，同时也更轻。最终，预计石墨烯被利用（可能集成到塑料中，如环氧树脂），以创造一种材料，可以取代飞机结构中的钢材，提高燃料效率，范围和减轻重量。由于其导电性，它甚至可以用于涂覆飞机表面材料，以防止雷击造成的电气损坏。在该示例中，相同的石墨烯涂层也可用于测量应变率，通知飞行员飞机机翼所处的应力水平的任何变化。

提供非常低的光吸收水平（约为白光的2.7％）同时还提供高电子迁移率意味着石墨烯可用作光伏电池制造中硅或ITO的替代物。硅目前广泛用于光伏电池的生产，但是虽然硅电池的生产成本非常高，但基于石墨烯的电池可能要少得多。当诸如硅的材料将光转化为电能时，它会为每个产生的电子产生光子，这意味着许多潜在的能量会因热量而损失。最近发表的研究证明，当石墨烯吸收光子时，它实际上会产生多个电子。此外，虽然硅能够从某些波长的光带发电，但石墨烯能够在所有波长上工作，这意味着石墨烯具有与硅，ITO或（也广泛使用的）砷化镓一样高效的潜力。柔韧薄，意味着石墨烯基光伏电池可用于服装帮助为手机充电，甚至用作复古光伏窗户或窗帘，为家庭供电。

正在进行高度研究的一个研究领域是储能。虽然过去几十年来电子产品的所有领域都在以非常快的速度发展（参考摩尔定律，该法律规定电子电路中使用的晶体管数量将每两年增加一倍），但问题始终是存储能量不使用时，请使用电池和电容器。这些能量存储解决方案的发展速度要慢得多。问题在于：电池可能会占用大量能量，但充电可能需要很长时间，另一方面，电容器可以非常快速地充电，但不能保持那么多能量（相对来说） ）。

目前，科学家正致力于提高锂离子电池的性能（通过将石墨烯作为阳极），以提供更高的存储容量，并具有更好的寿命和充电速率。此外，正在研究和开发石墨烯以用于制造超级电容器，其能够非常快速地充电，并且还能够存储大量电力。基于石墨烯的微超级电容器可能会被开发用于智能电话和便携式计算设备等低能耗应用，并且可能在未来5到10年内在商业上可用。石墨烯增强型锂离子电池可以用于更高能耗的应用，例如电动车辆，或者它们可以用作智能手机中的锂离子电池，

文章转载自公众号:石墨烯雷达

石墨烯的主要用途有：

1、传感器

石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，可以利用其表面吸附性能做成化学传感器。由石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。

2、晶体管

可以石墨烯结构的高度稳定性制作晶体管，种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。

3、新能源电池

利用石墨烯制作出的超级电池，解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。

4、海水淡化

利用机械手段压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐分。

5、复合材料

由石墨烯制成的多功能聚合物复合材料以及高强度多孔陶瓷材料，增强了复合材料的许多特殊性能。

石墨烯的常见制备方法：

1、氧化还原法

通过使用硫酸，硝酸等化学试剂及在高锰酸钾，双氧水等氧化剂环境下将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨。接着将氧化石墨水洗，并对洗净后的固体进行低温干燥操作，制得氧化石墨粉体。

接着通过物理剥离，高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离操作，制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原，制得石墨烯。

2、机械剥离法

利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，即可得到石墨烯薄层材料。这种方法操作简单，并且得到的石墨烯通常保持着其完整的晶体结构。

以上内容参考：百度百科-石墨烯

新能源（或可再生能源）是从地球的自然资源中提取的能源，这些自然资源也是有限的，绝非取之不尽用之不竭的。可再生能源是传统矿物燃料能源的替代品，因为其对环境造成更小的危害，近年来被各发展中国家推崇开发并将其利用到日常工业运作中。

其中主要新能源包括了5大类：

1. 太阳能：太阳能是通过捕获阳光辐射能并将其转化为热能、电能或热水而获得的。光伏(PV)系统可以通过使用太阳能电池将阳光直接转化为电能。使用太阳能的好处之一是，理论上来说阳光是无穷无尽的，一旦有了采集太阳能的技术，太阳能的供应将是无限的，并意味着化石燃料的淘汰。

2. 风力：风力发电场利用涡轮机捕捉风力并将其转化为电能，目前我们已持有多种不同形式的系统用来转换风能。商业级别的风力发电系统可以为许多不同的组织提供动力，而单风力涡轮机用于帮助补充现有的能源组织。

3. 水力发电：水流通过大坝的涡轮发电，这被称为抽水蓄能水力发电。而径流式水力发电利用的是一条渠道，而不是通过水坝来发电。水力发电用途广泛，既可以利用大型项目，也可以利用小型项目，如水下涡轮机和小型河流和小溪上的低坝。

4. 地热能：地热能是45亿年前地球形成和放射性衰变时被困在地壳下的热量。有时，大量的热会自然地逸出，但同时会导致如火山爆发和间歇泉的现象。这些热量可以被收集起来，并通过从地下泵入的热水产生的蒸汽来产生地热能，然后这些蒸汽上升到地球地层来驱动涡轮机。

5. 海洋：海洋可以产生两种能量，热能和机械能。海洋热能依赖于温暖的水面温度，通过各种不同的系统产生能量。海洋机械能利用潮汐的涨落产生能量，这种能量是由地球的自转和月球引力产生的。波浪能产生的能量是可以预测的，而且可以很容易地估算出波浪能产生的能量。与依赖太阳和风能等各种因素不同，波浪能的稳定性要高得多。这种类型的可再生能源也很丰富，人口最多的城市往往靠近海洋和港口，使当地人口更容易利用这种能源。

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石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料 ，主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性。 化学性质上石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。 当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。

石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间，但是已成为学者研究的热点。 随着石墨烯的制备方法不断被开发，石墨烯必将在不久的将来被更广泛的应用到各领域中

石墨烯是一种新型的内暖材质，石墨烯内暖纤维是由生物质石墨烯与各类纤维复合而成的一种智能多功能纤维新材料，具备低温远红外功能，集抗菌抑菌、抗紫外线、防静电等作用于一身。利用生物质石墨烯制成的织物原料，触感和普通面料并没有太大差别，但是在内暖、抑菌、防紫外线、除臭等功能上却有着独特的效果。甚至可以起到暖宫和缓解颈椎痛等功效。由于石墨烯的电热转换效能可达 99%，与其他发热材料相比有绝对的优势；其次，传统的电阻丝发热，容易发生短路着火、遇水联电不安全、人体舒适感也偏低。

石墨烯又称”单层石墨片“，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二维结构，与石墨的单原子层类似。

2004年，二维结构石墨烯的发现推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的认知，震撼了整个物理界，它的发现者---英国曼切斯特大学物理和天文学系的Geim 和Novoselov也因此获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。与碳纳米管相比，石墨烯有完美的杂化结构，大的共轭体系使其电子传输能力很强，而且合成石墨烯的原料是石墨，价格低廉，这表明石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比，石墨烯同样具有独特优势: 硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。另外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，如果由石墨烯制造电子产品，则运行的速度可以得到大幅提高。速度还不是石墨烯的唯一优点。硅不能分割成小于10nm 的小片，否则其将失去诱人的电子性能与硅相比，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而且其电子性能还有可能异常发挥。因而，当硅无法再分割得更小时，比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律， 从而极有可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展。