盘点 | 仪表材料石墨烯的应用

 

　　石墨烯最早在2004年被英国曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈・盖姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫安成功地用微机械剥离法从石墨中分离出来，他们在2010年共同凭借这一发现获得了诺贝尔物理学奖，自此，石墨烯走入大众视野。
 

　　据了解，石墨烯是迄今为止自然界中最强的二维材料，它的结构是完美对称的六边形，能够在受到外力冲击时通过改变形状来维持稳定；石墨烯的强度为普通钢材的十倍以上，一平方米的石墨烯吊床仅中0.77毫克，并且能够承受四公斤的重量；不仅如此，石墨烯中有独特的线性电子能带结构使得它拥有极佳的导电性和透光性，石墨烯传导的电子是无质量的狄拉克费米子，它在石墨烯中迁移速度超快，几乎没有运动阻力；此外，石墨烯的导热性优于碳纳米管和金刚石，拥有良好的导电性。
 

　　石墨烯被发现的时间虽然不长，但它却凭借着高强度、高导电性、高导热性等优异的性能，被誉为“改变21世纪的材料”，在各个行业之中大展拳脚，成为材料家族中一颗冉冉升起的“新星”。
 

　　石墨烯在新能源电池上的应用(以氢燃料电池为例)
 

　　膜电极组件是燃料电池的“心脏”，由质子交换膜、气体扩散层和催化剂组成，石墨烯凭借其超高的强度、超强的韧性、超轻的质量和超高的透光率在氢燃料电池领域可得到极大的发挥。
 

　　催化剂可以决定氢燃料电池的寿命和放电性能，传统的燃料电池催化剂之一是铂，但因其研究成本相对较高，且存在着活性不足、耐久性查等问题，科学家一直在努力寻找能够代替铂的材料。石墨烯凭借其优异的性能“闯”入了能源电池的研究领域，成为热点。
 

　　研究发现，将石墨烯自身可以作为一种无金属催化剂，在表面修饰后能够增加负载金属纳米粒子的锚定位点，是一种良好的非铂系金属催化剂载体。日本东北大学的研究员已经成功利用石墨烯作为铂的替代催化剂，此研究大大降低了氢燃料电池的成本；英国莱斯大学的教授利用钌纳米粒子附着到石墨烯表面上，结果表明性其能与传统铂相当，这两项研究如果应用于市场，将会提升氢燃料的性能并降低氢燃料电池的成本。
 

　　在燃料电池中，支撑催化剂层和收集电流的结构是气体扩散层，优异的排水性、透气性和导电性是气体扩散层研究的方向。石墨烯作为已知发现的新材料里导电性最好的材料，也被应用于氢燃料电池的气体扩散层领域。浙江大学高超教授课题组与英国Northumbria University的Terence Liu博士课题组合作，利用石墨烯气凝胶代替传统燃料电池中的气体扩散层，此举将燃料电池的功率质量提升了3倍，并减轻了燃料电池的质量。
 

　　质子交换膜在概念上是将氢燃料电池中氢气与氧气完全分隔开只允许质子通过的材料，但目前的质子交换膜还达不到装的要求，石墨烯薄片理论上是非常合适的质子交换膜材料，如果能够被应用，那必将从根本上提升燃料电池的性能。
 

　　石墨烯在生物医学生上的应用(以氧化石墨烯为例)
 

　　谈及石墨烯与生物医学，就不得不谈起氧化石墨烯，氧化石墨烯是石墨烯的水溶性衍生物，由于它的多官能化及与各种生物分子的高效表面负荷，得到了生物技术领域的广泛研究，生物医学对石墨烯研究的主要关注点在于研发能够用于生物分子检测的氧化石墨烯生物探测器设备、氧化石墨烯的抗菌作用和石墨烯生物安全性研究等。
 

　　生物医学传感器可以将生物物质的浓度转换为电信号并检测出来，墨尔本大学的研究团队就研制出可以准确检测单个分子的基于石墨烯的热电传感器，该传感器首先构造个边缘为氢钝化的曲折的石墨烯纳米带，再以纳米带的表面接近单个分子，再进行检测。
 

　　抗生素的出现让人类对细菌感染类疾病有了对策，为很多疾病带来了有效的疗愈手段，但与此同时，抗生素的滥用也导致了抗生素的耐药性和抑菌能力减弱的问题。纳米材料因其独特的结构特性，可用于制作安全高效的抗菌剂，氧化石墨烯因在抗菌领域中具有强大的应用潜力而得到人们的重视新加坡南洋理工大学Liu Shaobin等人使用原子力显微镜发现氧化石墨烯通过包裹大肠埃希菌阻断了其与环境的交互，从而中断其增殖。
 

　　此外，氧化石墨烯还因其良好的载药性(表面积大)以及可控靶向(可修饰冠能团多)在癌症药物递送领域有着不错的前景。
 

　　石墨烯在材料方面的应用(以复合材料为例)
 

　　石墨烯世纪应用的一个重要方向是基于石墨烯的聚合物复合材料，通过在材料表面添加石墨烯，再加以其他工艺辅助，可以改善聚合物体系的性能和功能，功能化后的石墨烯非常适用开发高性能聚合物复合材料，如改性塑料、改性树脂基体等。
 

　　现如今国内外对于石墨烯改性塑料的研究主要集中于改善塑料的导电性、导热性和阻隔性等方面。塑料作为一种绝缘材料，表面电阻可达1×1013Ω以上，在防静电、到点领域鲜少有应用，而新兴填料石墨烯的电子迁移率非常高，具有优异的力学性能，与聚氯乙烯结合得到的材料是一种高导电率低逾渗浓度的塑料。另外，将石墨烯与高密度聚乙烯可得到具有优异力学性能和抗静电性能的永久抗静电高密度聚乙烯复合材料。
 

　　在改性树脂基体方面，大连义邦引进了英国研发的一种新型纳米石墨烯导电填料，将这种填料与传统环氧树脂融合后形成了新一代高导电环氧树脂，将其在飞机结构的接头和维修中用作粘合剂使用可增强其导电性，降低飞机在空中因雷击所带来的风险。
 

　　石墨烯在其他领域的应用
 

　　在石油化工领域，石墨烯纳米材料可以作为井眼强度改进剂或钻井泥浆润滑液，减少钻孔磨损，增加泥浆稳定性，有理论表明，当石墨烯纳米材料作为钻井泥浆润滑液使用时，会与油发生反应从而增加油的流动性，提高原油产量。
 

　　在海水淡化方面，一种新型石墨烯氧化物薄膜被英国曼彻斯特大学研究出来，他们通过控制薄膜膨胀从而控制薄膜上空隙的大小的方式实现细小盐离子的精准过滤，未来这种技术有望实现规模化、市场化。
 

　　综上所述，石墨烯凭借着其优越的性能，除了在新能源、新材料、生物医学、航空航天领域有着广阔的天地之外，作为“二十一世纪材料之王”的石墨烯在石油化工、海水淡化等方面也有所应用，但石墨烯的应用绝不止于此，篇幅有限就不在此多做赘述。
 

　　目前，全球范围内石墨烯的产业化还处在初期，主要问题集中在上游规模化制备技术亟待突破、中游产品质量参差不齐，下游也缺乏杀手锏级应用驱动力，一直没有大规模的产业化应用，如何将石墨烯请出科研院所的“象牙塔”是行业科学家正在努力攻克的难题。