石墨烯六大應(yīng)用領(lǐng)域全面分析

石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進(jìn)行排布，相互連接，形成一個(gè)碳分子，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定；隨著所連接的碳原子數(shù)量不斷增多，這個(gè)二維的碳分子平面不斷擴(kuò)大，分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度，即0.335納米，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一的厚度，1毫米厚的石墨中將將近有150萬層左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一種材料，并且具有極高的比表面積、超強(qiáng)的導(dǎo)電性和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。上述優(yōu)點(diǎn)的存在是其擁有良好的市場(chǎng)前景。

領(lǐng)域一：導(dǎo)電油墨

導(dǎo)電油墨是用導(dǎo)電材料制成的油墨，具有一定程度導(dǎo)電質(zhì)，可作為印刷導(dǎo)電點(diǎn)或?qū)щ娋€路之用。近年來在手機(jī)、玩具、薄膜開關(guān)、太陽能電池、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱膜以及射頻識(shí)別技術(shù)等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。過去數(shù)十年，導(dǎo)電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應(yīng)用也將同時(shí)保持增長(zhǎng)。

石墨烯導(dǎo)電油墨具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景看好。導(dǎo)電油墨屬于填充型復(fù)合材料，是印刷與燒結(jié)處理后具有導(dǎo)電性能的油墨。石墨烯應(yīng)用在油墨的優(yōu)勢(shì)主要有兩點(diǎn)：一是兼容性強(qiáng)，石墨烯油墨可在塑料薄膜、紙張及金屬箔片等多種基材上實(shí)現(xiàn)印刷;二是性價(jià)比高，與現(xiàn)有的納米金屬導(dǎo)電油墨相比，石墨烯油墨具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

由于石墨烯的良好性能，其制成的油墨具有電阻小、導(dǎo)電性強(qiáng)以及光學(xué)透明性高等特點(diǎn)，在各類導(dǎo)電線路以及傳感器、無線射頻識(shí)別系統(tǒng)、智能包裝、醫(yī)學(xué)監(jiān)視器等電子產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用。2015年導(dǎo)電油墨的產(chǎn)量也已達(dá)到80萬噸。預(yù)計(jì)到2015年導(dǎo)電油墨產(chǎn)量將達(dá)到130萬噸，隨著石墨烯的生產(chǎn)技術(shù)成熟、成本降低，石墨烯導(dǎo)電油墨將逐漸占據(jù)市場(chǎng)份額。預(yù)計(jì)到2020年導(dǎo)電油墨領(lǐng)域石墨烯應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2億元。

領(lǐng)域二：傳感器

石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學(xué)傳感器的制作。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研制出性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有商用氣體傳感器的廉價(jià)石墨烯海綿傳感器。

領(lǐng)域三：生物材料

石墨烯類材料在生物領(lǐng)域有著多方面的應(yīng)用，其中氧化石墨烯可以制成納米抗菌材料，抗菌性源于其對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。由于其具有豐富的材料來源，這種新型的晶體材料有望在環(huán)境檢測(cè)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2010年3月，國(guó)家納米科學(xué)中心方英課題組和美國(guó)哈佛大學(xué)Lieber課題組合作首次成功制備石墨烯與動(dòng)物心肌細(xì)胞的人造突觸的相關(guān)研究結(jié)果，此次合作建立了一維、二維納米材料與細(xì)胞相結(jié)合的獨(dú)特研究體系，將為生物電子學(xué)的研究帶來新的機(jī)遇。由于石墨烯還具有毒性低、比表面積大等優(yōu)異性能，在藥物載體方面蘊(yùn)含著潛在的應(yīng)用價(jià)值。Hu等采用一步合成法制備了普郎尼克PF127/石墨烯復(fù)合物，可以有效負(fù)載阿霉素，負(fù)載率可達(dá)到289%，并且在生理溶液中具有很高的穩(wěn)定性和分散性。

此外，研究人員還制備了殼聚糖-石墨烯復(fù)合物固載葡萄糖氧化酶（GOD）生物傳感器，GOD具有快速電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)，靈敏度為37.93μA?L/（mmol?cm2），其線性檢測(cè)范圍為0.08～12mmol/L，因此對(duì)葡萄糖的檢測(cè)呈現(xiàn)出優(yōu)異性能。使用PEG包裹熒光標(biāo)簽的納米石墨烯片（nanographene sheets，NGS）在活體內(nèi)異種皮膚腫瘤移植熒光成像中表現(xiàn)出了高腫瘤攝取率，這表明石墨烯在腫瘤治療方面具有很大的潛力。石墨烯作為載體的復(fù)合物在模擬天然酶方面也具有很大的應(yīng)用，利用簡(jiǎn)單方法制備出的氧化石墨烯- Fe3O4磁性納米復(fù)合物具有天然酶所不能及的高活性、廣泛的溫度和pH值依賴性，石墨烯更以其共軛平面結(jié)構(gòu)對(duì)底物分子的富集以及與底物之間的快速電荷轉(zhuǎn)移，對(duì)模擬酶活性的提高起到很大的輔助作用。

領(lǐng)域四：儲(chǔ)能材料

石墨烯在能源存儲(chǔ)方面也有著舉足輕重的作用，氫能一直以來都被看作是非常優(yōu)質(zhì)的能源，但由于它的密度低、易爆炸的特點(diǎn)，儲(chǔ)氫材料一直是人們研究的熱點(diǎn)，石墨烯類材料的出現(xiàn)將在氫能存儲(chǔ)中得到廣泛的應(yīng)用。希臘大學(xué)研究人員Froudakis等設(shè)計(jì)了新型3D碳材料，當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子時(shí)，石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到6.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。Ataca等［22］利用第一性原理平面波法得到石墨烯被鈣原子摻雜后儲(chǔ)氫量可到達(dá)8.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），鈣原子會(huì)留在石墨烯表面，有利于循環(huán)使用。Chen等利用二維石墨烯片摻雜鈀納米顆粒后再混合活性炭受體，用作儲(chǔ)氫材料。實(shí)驗(yàn)證明，這種材料在10MPa下儲(chǔ)氫量為0.82％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），比不含石墨烯的鈀材料提升了49％，而且此材料的吸附是高度可逆的。

石墨烯具有特殊的二維柔性結(jié)構(gòu)，在制作高能、柔韌和微型超級(jí)電容器等方面有很大的潛力。Peng等將MnO2納米片與石墨烯混合制成柔性平面超級(jí)電容器，這種平面結(jié)構(gòu)不僅引入更多的電化學(xué)表面吸附/解析電解液離子，而且提供更多的界面用于充放電過程中電荷的傳輸。其電化學(xué)比容量可達(dá)到233F/g，7000次充放電循環(huán)后仍可保持92％的 容量。

領(lǐng)域五：鋰電池

石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用比較多元化，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導(dǎo)電添加劑，來改善電極材料的導(dǎo)電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。目前比較成熟的應(yīng)用是將石墨烯制成導(dǎo)電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級(jí)材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產(chǎn)、成本持續(xù)降低的情況下，石墨烯漿料將呈現(xiàn)更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長(zhǎng)而穩(wěn)步上升。鋰離子電池主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動(dòng)力汽車等新能源汽車領(lǐng)域擴(kuò)展，具有長(zhǎng)期發(fā)展前景。

由于石墨烯對(duì)于電池性能有諸多提升作用，對(duì)動(dòng)力電池性能要求的不斷提升必將拉動(dòng)石墨烯在電池領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)石墨烯電池行業(yè)規(guī)模有望充分受益于動(dòng)力電池的放量，分享新能源汽車行業(yè)的增長(zhǎng)。

領(lǐng)域六：半導(dǎo)體材料

石墨烯被認(rèn)為是替代硅的理想材料，大量有實(shí)力的企業(yè)均開展了石墨烯半導(dǎo)體器件的研發(fā)。韓國(guó)成均館大學(xué)開發(fā)出了高穩(wěn)定性n型石墨烯半導(dǎo)體，可以長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中使用。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。IBM 的研究人員開發(fā)出了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其截止頻率可達(dá)100GHz，頻率性能遠(yuǎn)超相同柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40GHz）。

石墨烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前仍沒有一種可以應(yīng)用石墨烯的產(chǎn)品能夠規(guī)?；a(chǎn)，對(duì)石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機(jī)構(gòu)的研究使用。

石墨烯在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上從研發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間需要5-10年，需達(dá)到成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)模時(shí)間則會(huì)更長(zhǎng)。而國(guó)內(nèi)目前并沒有上市公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)生產(chǎn)石墨烯，只有幾家生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品的公司正在進(jìn)行石墨烯產(chǎn)品的研制，目前都沒有大規(guī)模量產(chǎn)的能力。

不過，在國(guó)家及地方政府的支持下，近幾年我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，初步構(gòu)建起以石墨烯原材料、研發(fā)、制備、應(yīng)用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈。截至2015年我國(guó)從事石墨烯產(chǎn)業(yè)的企業(yè)已突破千家，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已在不斷推進(jìn)。

隨著政府的積極介入，石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成政府、科研機(jī)構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的“官產(chǎn)學(xué)研”合作對(duì)接機(jī)制，良性發(fā)展態(tài)勢(shì)有助于石墨烯企業(yè)充分享受地方政策、稅收優(yōu)惠以及資金支持，未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有望加速。