石墨烯结构性能及其应用

江 文，陈玉祥

（西南石油大学，四川成都 610500）

石墨烯结构性能及其应用

江 文，陈玉祥

（西南石油大学，四川成都 610500）

简要介绍了石墨烯的结构与性质，并对石墨烯在微电子、超级电容器、光学、燃料电池以及涂料等领域的应用做了重点阐述。最后对石墨烯在各个领域中的应用及出现的问题进行总结，同时指出石墨烯在今后的发展方向，并对石墨烯的研究前景做出展望。

石墨烯；材料；涂料；应用

石墨烯具有特殊的化学结构及优秀的力、热、光、电等物理性能，在微电子、超级电容器、涂料、电池等各种工业领域有着巨大的应用前景，其制备工艺成熟同时在各领域都得到了广泛的实用[1]。石墨烯对物理学、化学基础研究有着特殊意义，石墨烯是目前自然界中最薄最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，基于已有的研究成果，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，能为该领域带来巨大的收益。

1 石墨烯的结构与性质

石墨是由碳原子通过sp2杂化，形成的六角型二维蜂巢晶格型平面薄膜，可理解是单层的石墨。而石墨烯是由碳原子组成的且只有一层原子厚度的碳材料，它是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型二维材料，也是一种单层的石墨薄片，它仅有一个碳原子的厚度（0.335nm），是已发现的最薄二维材料[2]。

2 石墨烯的应用

2.1 微电子领域

石墨烯作为一种新型的二维碳材料，由于其优异的电学、光学性质以及稳定的化学特性，因而在微电子领域具有广阔的应用前景。石墨烯的电子迁移速率比硅材料中的电子迁移率高很多，这在微电子领域有着极大的影响，甚至可将石墨烯晶体管等用于制造超级计算机，应用在计算机中可以提升它的运算速度，还能够节约电能[3]。

2.2 超级电容器

超级电容器作为一种新型储能器件，具备了电池和电容的双重特性。通常来讲，超级电容器的电极制作材料一般需要有两个特点：一是材料要有高电导率，二是电极材料要具有高比表面积。通常来说，工业领域是使用活性炭或者碳纳米管两种材料来提高电极的导电性和比表面积的。因此相对来说，石墨烯复合材料是制作超级电容器的理想的电极材料之一。比起活性炭，石墨烯具有更好的导电性、更稳定的性质以及比表面积和比强度较大等良好的理化性能，而石墨烯具备这些优点能够达到制作超级电容器电极材料的要求[4]。

2.3 涂料

石墨烯由于其具有良好的化学惰性以及对氧气、水具有很好的阻隔作用而受到了研究者的关注，被应用于金属腐蚀防护研究中。石墨烯的抗氧化能力、对氧的阻隔性能，特别是金属材料的保护主要是形成沉积层，而起到阻隔作用被科学家们逐渐关注，并利用此性能开发出新的防腐材料[5]。

2.4 电池

燃料电池装置是一种比较好的储电源，具有高效且对环境污染很小的优点能够将化学能直接转换为电能。但制造电池的催化剂性能不是很好，导致燃料电池的制备成本偏高。而石墨烯能作为燃料电池中的载体主要是能够阻止粒子的迁移、更好地提升催化剂的稳定性以便能够提高电池的综合性能[6]。锂离子电池也是一种理想的绿色电源，具有高电压、高能量密度、充电效率高、自放电效应小、优异的循环稳定性、无污染等多个优点。

2.5 其他领域

基于以上石墨烯的各种优良性能，石墨烯还在晶体管方面、光学、医疗器材、储氢材料、超轻汽车或飞机建筑物、防弹衣等相关材料能源领域具有广阔的应用。相信在不久的将来，石墨烯会在更广泛的领域得到更多的应用，为社会创造更多的财富[7]。

3 结语与展望

由于目前的工业领域以及相关技术的限制，目前市场及实验室并没有制得纯度较好及面积较大的石墨烯材料[8]。未来研究者们的工作重点将集中在以下几方面进行：①长时间探索改进石墨烯的制备工艺途径，利用低成本制备出面积大、缺陷少、无其他掺杂的高产能石墨烯；②在制备过程中设法提高石墨烯的各方面性能，使其能够为更多的领域做出贡献；③进一步探究石墨烯的形成原理和生长机制，加大对其结构与综合性能的实验研究；④通过各种便捷的方法来改善和弥补在使用石墨烯材料所带来的缺陷，同时研究其失效原理[9]。

[1] 闫立群，徐亭，赵阔，等.石墨烯工业化应用与研究进展[J].中国新技术新产品，2016，（2）：1-3.

[2] 曹圣平，孙百亚.石墨烯的制备与应用[J].化工管理，2016，（20）：66.

[3] 贾子龙.石墨烯的研究进展及展望[J].化工技术与开发，2016，45（3）：29-32.

[4] 李慧慧，林沐璇李露，等.浅谈石墨烯在电子器件中的应用[J].科技与创新，2016，（10）：8-9.

[5] 王清海，王秀娟，方健君，等.石墨烯在涂料中的应用[J].涂料技术与文摘，2016，（09）：14-16.

[6] 徐驰，朱和国.石墨烯的制备及其在能源方面的应用研究进展[J].材料科学与工程学报，2016，（02）：326-332.

[7] 伊春海，王志，张莉莉，胡津康，王纪孝，王世昌.含聚乙烯基胺共混固定载体复合膜制备及其CO2/CH4分离性能[J].化工学报，2006，（4）.

[8] 项菲，施耀，李伟.混合有机胺吸收烟道气中CO2的实验研究[J].环境污染与防治，2003，（4）.

G r a p h e n e S t r u c t u r e，P r o p e r t i e s a n d A p p l i c a t i o n s

Jiang Wen，Chen Yu-xiang

This paper briefly introduces the structure and properties of graphene，and focuses on the application of graphene in microelectronics，supercapacitors，optics，fuel cells，coatings and other fields.Finally，the application and problems of graphene in various fi elds are summarized，and the future development of graphene is pointed out，and the prospect of graphene research is prospected.

graphene；materials；coatings；application

O648.17；TB332

A

1003-6490（2017）08-0061-01

2017-05-04

江文（1993—），男，安徽安庆人，硕士在读，主要从事油气田材料腐蚀与防护研究工作。