石墨烯具有哪些應用方向？

1樓：六工碳素徐經理

我是多年的石墨行業從業者，對石墨烯研究多年，這個問題我有切身的體會。

隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動裝置、航空航天、新能源電池領域。

基礎研究

石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量彷彿是不存在的，這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用於研究相對論量子力學的凝聚態物質——因為無質量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述，這為理論物理學家們提供了乙個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，可以在小型實驗室內用石墨烯進行。

零能隙的半導體主要是單層石墨烯，這種電子結構會嚴重影響到氣體分子在其表面上的作用。單層石墨烯較體相石墨表面反應活性增強的功能是由石墨烯的氫化反應和氧化反應結果顯示出來的，說明石墨烯的電子結構可以調製其表面的活性。另外，石墨烯的電子結構可以通過氣體分子吸附的誘導而發生相應的變化，其不但對載流子的濃度進行改變，同時可以摻雜不同的石墨烯。

感測器

紅外光束激發等離子體石墨烯感測器示意圖

石墨烯可以做成化學感測器，這個過程主要是通過石墨烯的表面吸附效能來完成的，根據部分學者的研究可知，石墨烯化學探測器的靈敏度可以與單分子檢測的極限相比擬。石墨烯獨特的二維結構使它對周圍的環境非常敏感。石墨烯是電化學生物感測器的理想材料，石墨烯製成的感測器在醫學上檢測多巴胺、葡萄糖等具有良好的靈敏性。

電晶體

石墨烯可以用來製作電晶體，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種電晶體在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前以矽為材料的電晶體在10奈米左右的尺度上就會失去穩定性；石墨烯中電子對外場的反應速度超快這一特點，又使得由它製成的電晶體可以達到極高的工作頻率。例如IBM公司在2023年2月就已宣布將石墨烯電晶體的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的矽電晶體。

柔性顯示屏

柔性顯示屏

消費電子展上可彎曲螢幕備受矚目，成為未來移動裝置顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。南韓研究人員首次製造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。

南韓三星公司和成均館大學的研究人員在乙個63厘公尺寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，製造出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們表示，這是迄今為止「塊頭」最大的石墨烯塊。隨後，他們用該石墨烯塊製造出了一塊柔性觸控螢幕。

研究人員表示，從理論上來講，人們可以捲起智慧型手機，然後像鉛筆一樣將其別在耳後。

新能源電池

石墨烯基超級電容器結構與不同電壓下的石墨烯理論能量密度

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯奈米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼裝置中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。

這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

海水淡化

石墨烯過濾器比其他海水淡化技術要使用的多。水環境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸後，可形成約0.9奈米寬的通道，小於這一尺寸的離子或分子可以快速通過。

通過機械手段進一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細通道尺寸，控制孔徑大小，能高效過濾海水中的鹽份。

儲氫材料

儲氫材料

石墨烯具有質量輕、高化學穩定性和高比表面積等優點，使之成為儲氫材料的最佳候選者。

航空航天

由於高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。2023年，美國NASA開發出應用於航天領域的石墨烯感測器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、太空飛行器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。

感光元件

以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過特殊結構，讓感光能力比現有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%。可應用在監視器與衛星成像領域中，可以應用於照相機、智慧型手機等。

複合材料

複合材料

基於石墨烯的複合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向，其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、感測材料和催化劑載體等領域展現出了優良效能，具有廣闊的應用前景。目前石墨烯複合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物複合材料和石墨烯基無機奈米複合材料上，而隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯增強體在塊體金屬基複合材料中的應用也越來越受到人們的重視。石墨烯製成的多功能聚合物複合材料、高強度多孔陶瓷材料，增強了複合材料的許多特殊效能。

生物

石墨烯被用來加速人類骨髓間充質幹細胞的成骨分化，同時也被用來製造碳化矽上外延石墨烯的生物感測器。同時石墨烯可以作為乙個神經介面電極，而不會改變或破壞效能，如訊號強度或疤痕組織的形成。由於具有柔韌性、生物相容性和導電性等特性，石墨烯電極在體內比鎢或矽電極穩定得多。

石墨烯氧化物對於抑制大腸桿菌的生長十分有效，而且不會傷害到人體細胞。

2樓：簡單科普小博士

先回答問題，石墨烯及其衍生物，可以用於生物醫學，醫療領域。

其獨特的生物、物理、化學等特性，在生物醫學領域中具有不可替代的作用。

我專欄中有篇文章，介紹了關於石墨烯的一些基礎知識，可以移步我的專欄。

現在，我再展開講一下，這種材料的衍生物，在機體內是如何發揮作用的。

氧化石墨烯能與蛋白質結合，其特殊的結構，增加了對其吸附蛋白的防水解保護作用。

蛋白質水解

簡單說就是，蛋白質本身會慢慢水解，失去功能和活性，但是和氧化石墨烯結合後，水解的速度就變慢了，也就能更長時間的保持生物活性。

而，能有效防止目的蛋白水解，是蛋白質傳遞系統的基礎，因為傳遞過程中，得保證蛋白質的完整性。

所以，氧化石墨烯能作為有效的蛋白質傳遞平台。

蛋白質與氧化石墨烯表面的相互作用機制，取決於氧化石墨烯的形態、疏水性和吸附蛋白質的型別。

因此，一方面，氧化石墨烯的吸附行為隨著氧化度(OD)的增加，結合形態和方式會發生變化。

DOI: 10.7536/PC180445

另一方面，對於不同的蛋白質型別，多肽可以通過疏水相互作用、范德華力、靜電相互作用和氫鍵等不同作用力，吸附在氧化石墨烯表面。

蛋白質吸附在氧化石墨烯表面，主要是通過疏水-疏水相互作用，具體表現為，疏水蛋白側與疏水碳晶格相互作用。

此外，氧化石墨烯還可能在其結構表面，可能與蛋白質等物質發生共價偶聯。

DOI: 10.7536/PC180445

通過共價偶聯，氧化石墨烯和蛋白質之間的結合強度得到了增強，最大限度地提高了它們在不同溫度、pH、有機溶劑和等儲存條件下的穩定性。

基於此，氧化石墨烯表面的多種特性，均有助於提高細胞附著和粘附能力。

新增氧化石墨烯後，細胞培養中的細胞增殖能力增強，在生物醫學領域中，非常適合應用於人體組織工程。

3樓：中科科優抗菌特材

根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用於各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。

石墨烯有可能會成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由於其高傳導性、高比表面積，可適用於作為電極材料助劑。

製造下一代超級計算機。石墨烯是目前已知導電性能最好的材料，這種特性尤其適合於高頻電路，石墨烯將是矽的替代品，可用來生產未來的超級計算機，使電腦執行速度更快、能耗降低。

製造「太空電梯」的纜線。科學家幻想將來太空衛星要用纜線與地面聯接起來，那時衛星就成了有線的風箏，科學家現在終於找到了可以製造這種太空纜線的特殊材料，這就是石墨烯。

可作為液晶顯示材料。石墨烯是一種「透明」的導體，可以用來替代現在的液晶顯示材料，用於生產下一代電腦、電視、手機的顯示屏。

製造新一代太陽能電池。石墨烯透明導電膜對於包括中遠紅外線在內的所有紅外線的高透明性，是轉換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料。

製造光子感測器。去年 10 月，IBM 的乙個研究小組首次展示了他們研製的石墨烯光電探測器。

製造醫用消毒品和食品包裝。中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用石墨烯的這一特性可以製作繃帶，食品包裝，也可生產抗菌服裝、床上用品等。

創制「新型超強材料」。石墨烯與塑料復合，可以憑藉韌性，兼具超薄、超柔和超輕特性，是下一代新型塑料。

石墨烯適合製作透明觸控螢幕、透光板。

製造電晶體積體電路。石墨烯可取代矽成為下一代超高頻率電晶體的基礎材料，而廣泛應用於高效能積體電路和新型奈米電子器件中。

製造出紙片般薄的超輕型飛機材料、製造出超堅韌的防彈衣，具有軍事用途

4樓：材料科學徐老師