石墨烯的應(yīng)用，除了近年已知的防腐涂料、超級(jí)電容器、計(jì)算機(jī)、生物傳感、DNA測(cè)序等應(yīng)用有更多的發(fā)現(xiàn)外，還有鋰硫電池、高效燃料電池、淡化海水、細(xì)菌滅蟲器等一系列新的應(yīng)用研究突破，來一睹為快!

石墨烯(Graphene)是由一個(gè)碳原子與周圍三個(gè)近鄰碳原子結(jié)合形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料。自2004年以來，當(dāng)研究人員首次從普通石墨中分離出單層石墨烯，技術(shù)界就給予這種“神奇的材料”很高的期望。

有人預(yù)測(cè)，石墨烯將取代硅作為電子器件的主要材料。但石墨烯永遠(yuǎn)不會(huì)取代硅，因?yàn)槭┎皇前雽?dǎo)體。據(jù)預(yù)測(cè)，石墨烯的第一個(gè)廣泛的商業(yè)應(yīng)用可能在生物傳感領(lǐng)域、下一個(gè)可能是電池產(chǎn)品。

曼徹斯特大學(xué)的研究人員在2004年首次生產(chǎn)石墨烯，并且測(cè)試一種石墨烯氧化物分子篩，它可以更加便宜而且高效的從海水中生產(chǎn)淡水。麻省理工學(xué)院的研究人員最近展示了一種由3D印刷石墨烯制成的未來建筑材料。劍橋石墨烯中心的法拉利表示，“石墨烯具有很大的潛力，但我們至少需要花費(fèi)10到15年才能實(shí)現(xiàn)。我們不知道是否會(huì)成功，但我對(duì)結(jié)果越來越滿意。”

電池、超級(jí)電容應(yīng)用

石墨烯海綿添加劑用于增強(qiáng)鋰電池性能

日本NEC公司的研究員錢成開發(fā)了一種多孔石墨烯海綿添加劑，也稱為Magic G，該蜂窩狀多孔石墨烯海綿具有高導(dǎo)電性，高比表面積和高電解質(zhì)吸收能力，可用于鋰離子電池的陽極和陰極，以提高其速率和功率性能。由于添加劑引入后而產(chǎn)生的電極特性，對(duì)于用于電動(dòng)車輛的鋰離子電池是必不可少的。雖然目前鋰離子電池顯示出一些很好的性能，但由于充放電能力差和高倍率性能，它們?nèi)匀皇艿降凸牡挠绊憽?/p>

石墨烯納米管混合物用于鋰金屬電池

萊斯大學(xué)創(chuàng)建的鋰涂覆混合石墨烯和碳納米管電池的陽極的三維結(jié)構(gòu)，避免形成枝晶。通過解決枝晶的問題，創(chuàng)造了一種可充電的鋰金屬電池，其電池容量是商業(yè)鋰離子電池的三倍。當(dāng)新電池充電時(shí)，鋰金屬均勻地包覆了碳納米管以共價(jià)連接到石墨烯表面的高導(dǎo)電碳雜化材料。如ACS Nano報(bào)道，該混合物代替了用于交換安全能力的普通鋰離子電池中的石墨陽極。目前他們正在中試規(guī)模生產(chǎn)這些陰極加陽極的完整電池，并對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試。

3D石墨烯上的鎳鈷硫化物核/殼結(jié)構(gòu)用于超級(jí)電容器

鎳鈷硫化物的三維核/殼結(jié)構(gòu)是在石墨烯上使用一系列水熱步驟進(jìn)行納米工程而生成的，而用于生長核殼結(jié)構(gòu)的石墨烯是在應(yīng)用于超級(jí)電容器的CVD上生長的。據(jù)研究，石墨烯和NCS/CNS核/殼三維多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)勢(shì)可以使，在10mA/cm2的電流密度下，獲得了15.6F/cm2的優(yōu)異的電容，在5000次循環(huán)后具有93%的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的速率能力，電流從10mA增加到100mA /cm2時(shí)速率能力為74.36%。這種混合結(jié)構(gòu)將來在高性能儲(chǔ)能裝置方面有很大的應(yīng)用潛力。

石墨烯納米膠囊促進(jìn)鋰硫電池商業(yè)化

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和俄勒岡州州立大學(xué)的研究人員，發(fā)現(xiàn)了一種新的陰極結(jié)構(gòu)硫化鋰電池，這種陰極由包覆多層石墨烯的二硫化鋰納米晶體組成。這種設(shè)計(jì)允許最大量的活性硫化物進(jìn)入電極，從而大大提高了導(dǎo)電性?？梢杂行У乇４婊钚粤?，因此電極不會(huì)膨脹，同時(shí)也解決了現(xiàn)有硫電極和先前報(bào)道的二鋰復(fù)合材料面臨的主要問題。

釕原子附著石墨烯上用于制造高效燃料電池

萊斯大學(xué)科學(xué)家通過將單一的釕原子附著到石墨烯上，為高性能燃料電池制造了耐用的催化劑?；瘜W(xué)家James Tour通過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，其性能與傳統(tǒng)的鉑基合金、最佳鐵氮摻雜石墨烯的性能相當(dāng)。

萊斯大學(xué)科學(xué)家通過將單一的釕原子附著到石墨烯上，為高性能燃料電池制造了耐用的催化劑

石墨烯基鋰電池充電寶

深圳的倍斯特科技與東旭光電聯(lián)合發(fā)布了一款石墨烯基鋰電池充電寶，在產(chǎn)品性能方面宣稱15分鐘迅速充滿5000mAh，其充電速度較普通充電寶大幅提升。

不過有業(yè)內(nèi)人士表示，“石墨烯電池”技術(shù)依然不完善，石墨烯只有在理論上能夠提高充放電速率，而對(duì)于容(能)量的提升基本沒有任何幫助，“目前石墨烯只是作為導(dǎo)電添加劑(用量非常少)，可以讓電池充電倍率提高，但是對(duì)電池容量的提升基本沒有幫助。即便是在導(dǎo)電添加劑上的應(yīng)用，也要建立在石墨烯的生產(chǎn)成本大幅降低的基礎(chǔ)之上。”

石墨烯膜應(yīng)用研究進(jìn)展

石墨烯膜用于淡化海水

曼徹斯特大學(xué)研究人員開發(fā)出一種可擴(kuò)展的、孔徑大小均勻的氧化石墨烯薄膜，它可以過濾掉極其微小的鹽顆粒，而不過多影響水的流動(dòng)。研究人員通過物理方式控制石墨烯薄膜在水中的膨脹程度，保證孔徑比鹽離子更小，解決了薄膜在水中膨脹后不能濾掉普通鹽離子的問題。

從長遠(yuǎn)來看，有研究小組指出，調(diào)整孔徑大小以過濾特定離子的基本思想可以應(yīng)用于不同的薄膜，也有著不同的用途。

石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所方海平團(tuán)隊(duì)、上海大學(xué)吳明紅團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)金萬勤團(tuán)隊(duì)和浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)者多方合作，提出并實(shí)現(xiàn)了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距，展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能，解決了其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

　　來源：中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所

石墨烯膜用于生產(chǎn)重水 使核去污能耗成本減少100倍

曼徹斯特大學(xué)的研究人員Marcelo Lozada-Hidalgo博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了一種可完全擴(kuò)展的石墨烯膜原型，這種石墨烯膜能夠更有效地生產(chǎn)重水，從而產(chǎn)生更環(huán)保便宜的核電。與現(xiàn)有技術(shù)相比，石墨烯可有助于核電廠生產(chǎn)重水和去污能耗成本減少超過100倍。研究人員認(rèn)為，超重氫凈化的能源效益在未來將會(huì)更大，這是全球主要關(guān)注的問題。

石墨烯用于制功能性透析膜

麻省理工學(xué)院的工程師從石墨烯片中制備出了功能性透析膜，研究人員首先在銅箔上生長石墨烯;蝕刻掉銅并將石墨烯轉(zhuǎn)移到聚碳酸酯的支撐片上，其中到處分散有足夠大的孔，使得已經(jīng)通過石墨烯的任何分子均可穿過。該石墨烯膜與商業(yè)透析膜進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜能夠以更高的“滲透性”進(jìn)行，比期望的分子過濾速度快了近10倍。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系博士后PiranKidambi表示：石墨烯可以改善膜技術(shù)，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的分離過程、以及潛在的血液透析等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　圖片來源：麻省理工學(xué)院

石墨烯超級(jí)電容器打印初試告捷，用于可穿戴電子產(chǎn)品

據(jù)phys報(bào)道，來自曼徹斯特大學(xué)的研究證明，只要通過簡單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)就可直接將柔性電池類設(shè)備印刷到紡織品上。他們將可導(dǎo)電的氧化石墨烯油墨印刷到棉織物上，成功制得固態(tài)的柔性超級(jí)電容器。這種油墨和紡織品材料之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，得到的印刷電極表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。下一步該做的是發(fā)展一種簡單可工業(yè)量產(chǎn)化的印刷技術(shù)來生產(chǎn)這種超級(jí)電容器，這將對(duì)下一代多功能可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

　　圖片來源于曼徹斯特大學(xué)

石墨烯高導(dǎo)電復(fù)合膜

常州二維碳素在石墨烯高導(dǎo)電復(fù)合膜方面取得重大技術(shù)突破，攻克了目前存在的石墨烯一致性不佳、導(dǎo)電性差、以及在高分子材料基體中分散復(fù)合工藝復(fù)雜等一系列問題，成功制備了具有超高導(dǎo)電性的石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料。該材料體積電阻率可低至10-2Ω˙cm，體積密度可小于1g/cm3。該項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)工藝簡單可靠，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。

　　防腐涂料應(yīng)用

石墨烯重防腐涂料

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團(tuán)隊(duì)成功研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型石墨烯改性重防腐涂料，成功突破石墨烯改性防腐涂料研發(fā)及應(yīng)用的四大技術(shù)瓶頸，開發(fā)出石墨烯“防腐外衣”。

目前該成果已通過中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)鑒定，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)鹽霧壽命超過6000小時(shí)，處于國際領(lǐng)先水平，相關(guān)成果已經(jīng)由寧波中科銀億新材料有限公司實(shí)施產(chǎn)業(yè)化，目前已定型的八大類產(chǎn)品已經(jīng)在電力設(shè)施、船舶、石油化工裝備等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。

其他應(yīng)用進(jìn)展

石墨烯/六方氮化硼復(fù)合材料用作電子封裝材料

中科院合肥研究院應(yīng)用所在不破壞材料結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計(jì)自組裝合成出系列石墨烯/六方氮化硼雜化結(jié)構(gòu)。利用導(dǎo)熱組分在聚合物中選擇性分布，獲得絕緣導(dǎo)熱雜化結(jié)構(gòu)。通過模擬，驗(yàn)證了該雜化材料在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。該類聚合物基復(fù)合材料擁有優(yōu)異的傳熱性能和電絕緣性能，在先進(jìn)電子封裝領(lǐng)域以及熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

石墨烯或可成為促進(jìn)神經(jīng)再生的良藥

愛荷華州立大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種利用噴墨打印機(jī)的納米技術(shù)生成多層石墨烯電路，有望將間質(zhì)干細(xì)胞(形成骨、軟骨和脂肪細(xì)胞)轉(zhuǎn)化為施旺細(xì)胞，這種細(xì)胞在促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的康復(fù)中起著多種作用。

這種技術(shù)處理的電路包含了凸起的、粗糙的三維納米結(jié)構(gòu)，間質(zhì)干細(xì)胞黏附在這種納米結(jié)構(gòu)上生長。其中的石墨烯成分具有極其優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有優(yōu)異的耐久性和生物相容性。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果得出結(jié)論：“靈活的石墨烯電極可以適應(yīng)損傷部位，并為神經(jīng)細(xì)胞再生提供了直接的電刺激，這些結(jié)果為體內(nèi)神經(jīng)再生鋪平了道路。”

石墨烯非接觸式致動(dòng)器

新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員利用靜電致動(dòng)原理，開發(fā)了一種電致型石墨烯致動(dòng)器，能夠在不接觸的情況下有效識(shí)別靠近物體的位置等信息。由于石墨烯膜表面帶有正電荷，當(dāng)不用帶電物體靠近一端固定的石墨烯小條時(shí)，致動(dòng)器會(huì)自發(fā)彎曲。這種致動(dòng)器做成的“智能雷達(dá)”和“跳舞小人”都反映了它在實(shí)際應(yīng)用的潛力，包括智能開關(guān)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、非接觸式傳感等領(lǐng)域。

石墨烯涂層變形或破裂時(shí)變色可用于檢測(cè)微裂紋

德國萊布尼茲聚合物研究所研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種石墨烯涂層，通過使用特殊的沉積方法重疊具有有序和無序特征的石墨烯納米片(GNP)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的“魚鱗”結(jié)構(gòu)，它在變形或破裂時(shí)可改變顏色。因此，結(jié)合可變結(jié)構(gòu)著色和電氣感測(cè)功能的方法為材料故障前的危險(xiǎn)等級(jí)和微裂紋的早期警告帶來了第一個(gè)有價(jià)值的步驟，使用幾種顏色來解決“交通燈”中的危險(xiǎn)報(bào)警和安全性系統(tǒng)。

石墨烯智能玻璃高溫自動(dòng)變不透明

臺(tái)灣清華大學(xué)材料系特聘教授戴念華帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用石墨烯研發(fā)出達(dá)到一定高溫就會(huì)由透明轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌腹獾闹悄懿ＡВ山档蛙噧?nèi)溫度、節(jié)省能源，也可應(yīng)用在智慧住宅。研究人員利用石墨烯具有將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿奶匦?，與溫感性水凝膠混和后成為液態(tài)物質(zhì)，注入兩片玻璃之間，只要環(huán)境溫度高于32度以上，1至2分鐘智能玻璃就轉(zhuǎn)為不透光，阻隔大部分光線。調(diào)整配方后，也能因應(yīng)不同需要，造出不同顏色的智能玻璃。

經(jīng)強(qiáng)光照射2分鐘后，一般玻璃(左)仍呈透明，清華石墨烯智能玻璃(右)已變不透明，阻隔光線與熱能

　　來源：臺(tái)灣清華大學(xué)

石墨烯納米帶可用于超敏感質(zhì)量檢測(cè)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用懸浮在溝槽上的石墨烯納米棒，通過單電子晶體管(SET)發(fā)現(xiàn)了納米機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電導(dǎo)之間的聯(lián)系。該納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)利用溝槽底部的金門控觸點(diǎn)，用于激活或觸發(fā)納米棒并探索其能量景觀。這些器件的獨(dú)特應(yīng)用可以提供一種將諧振器的機(jī)械模式冷卻到基態(tài)的可靠方法以及超高的力/質(zhì)量傳感器。它們還提供了探索超過現(xiàn)有技術(shù)解決方案的納米級(jí)現(xiàn)象的途徑，可以揭示一系列領(lǐng)域的問題。

電化石墨烯用于細(xì)菌滅蟲器

一種激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)的材料是抗菌的，萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)通過添加幾伏的電力，其抗菌性能可以被提升一個(gè)檔次，用石墨烯材料制造了一個(gè)細(xì)菌滅蟲器。關(guān)于滅菌原理，據(jù)解釋，石墨烯的鋒利邊緣刺穿它們的細(xì)胞膜，然后電荷電解它們，任何剩余的幸存者被過程中產(chǎn)生的過氧化氫迅速中毒。

Tour說：“這種形式的石墨烯極易抵抗生物膜的形成，對(duì)生物膜的形成具有很大的應(yīng)用潛力，例如水處理廠，石油鉆井作業(yè)，醫(yī)院和海洋應(yīng)用場合，如對(duì)污染敏感的水下管道。使用電力時(shí)的高抗菌是一個(gè)很大的額外的好處。”

石墨烯用于制造可見光以外的高端相機(jī)

ICFO研究人員通過利用PBS膠體量子點(diǎn),將其沉積在CVD石墨烯上制備出石墨烯量子點(diǎn)圖像傳感器，并將其沉積在具有圖像傳感器和讀出電路的CMOS芯片上。他們首次展示了CMOS集成電路與石墨烯的單片集成，由此產(chǎn)生了一種高分辨率圖像傳感器，它主要是基于石墨烯和量子點(diǎn)(QD)的數(shù)十萬光電探測(cè)器而成。這種石墨烯與CMOS的單片式集成的演示能夠使光電子應(yīng)用更加廣泛，例如低功率的光學(xué)數(shù)據(jù)通信和緊湊、超靈敏的傳感系統(tǒng)。

基于CMOS-量子點(diǎn)的石墨烯傳感器，可用于可視紫外線、可見光和紅外線相機(jī)。

石墨烯應(yīng)用于太陽能集熱器

石墨烯具有出色的導(dǎo)熱性，葡萄牙里斯本大學(xué)的Bioucas及其團(tuán)隊(duì)使用水和乙二醇作為傳熱導(dǎo)體，探討了不同數(shù)量的石墨烯薄片對(duì)太陽能集熱器傳熱效率的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，在太陽能集熱器的傳熱流體中加入氧化石墨烯，既簡單又可以提高傳熱效率。研究人員分別通過室內(nèi)鹵素?zé)粢约笆彝馓柟庹丈湎聦?duì)比證實(shí)，集熱器在室外自然光照射下的傳熱效率明顯優(yōu)于室內(nèi)。

石墨烯晶體管開啟計(jì)算機(jī)的新時(shí)代

中佛羅里達(dá)大學(xué)助理教授Ryan M. Gelfand是研發(fā)團(tuán)隊(duì)的一份子，他所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)今研發(fā)了一種石墨烯晶體管，這種晶體管在只使用現(xiàn)有晶體管百分之一電力的情況下，能使計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度提升一千倍。