本文摘要:石墨烯被誉为“黑金”、“新材料之王”。

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石墨烯被誉为“黑金”、“新材料之王”。中国的石墨基本储量约占世界总量的三分之一(一些数据称之为一半以上)。

石墨衍生出来的石墨烯,作为一种尖端的新材料,太大太神秘,用不上,甚至科学家都兑现了,石墨烯将“转型进入21世纪”。那么,石墨烯作为引领未来的战略性新兴材料,在国计民生和环境保护领域有哪些可观的应用前景?非洲国家莫桑比克的巴拉马,仅次于世界上的石墨矿。今年以来,该矿已经转入设备调整阶段,产量逐渐下降。“新材料之王”诞生了。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列成二维蜂窝状六边形晶格的材料,完全被碳所包容。半个多世纪以来,科学界普遍认为这样的二维物质是一种假设的结构,不能顺利分离,不存在。后来,在2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和他的学生康斯坦丁诺沃肖洛夫在实验中成功地从石墨中分离出单层石墨烯,从而证实了它是可以分离的,不存在的。

因为“二维石墨烯材料的开创性实验”,六年后两人还共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和他的学生康斯坦丁诺沃肖洛夫在2010年诺贝尔奖颁奖典礼上。

这个奖项激怒了科学界和工业界,石墨烯的研究在接下来的几年里在很多领域都取得了进展。石墨烯之所以坚固,是因为碳原子之间的化学键:可以倾斜到一个相当大的角度而不脱落,而且可以抵抗高压。因为原子只有一层,在一个平面内允许电子的运动,给它带来了全新的电学性质。

目前,人们已经知道石墨烯是世界上最厚但也是最柔软的纳米材料。它是一种几乎半透明的良导体,电阻率比银低,所以是世界上电阻率较高的材料。

由于其极低的电阻率和缓慢的电子运动,有望用于开发新一代导电率更厚、更慢的电子元件或晶体管。业内人士指出,石墨烯在电子信息、光通信、新材料、节能环保、医疗卫生、航空航天、国防等关系国计民生、国家安全的领域具有广阔的应用前景,未来将带来革命性的技术变革。石墨烯行业未来市场潜力巨大,欧盟、美国、韩国等国家和地区竞相将石墨烯新材料的研究提升到战略层面。

那么,石墨烯材料在节能环保方面的应用前景如何?石墨烯“筛子”可以淡化海水。淡水资源的缺乏正威胁着世界上更多国家的饮用水安全。随着气候变化的加剧,许多城市的淡水供应将大大增加。许多国家开始改变对海水无限供应的看法,增加了海水淡化装置的研发。

石墨烯材料给海水淡化技术带来了无法低成本推广的新机遇。2012年7月,麻省理工学院发布文件称,其研究人员开发了一种利用石墨烯进行海水淡化的新方法。这种方法的原理是通过精确控制多孔石墨烯的孔径大小并向其添加其他材料来改变石墨烯孔边的性质,使其需要敌意或更多的水分子。

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这样,这种特殊的石墨烯可以像筛子一样慢慢过滤掉海水中的盐分,只留下水分子。新工艺的关键是精确控制石墨烯孔隙的大小。

研究人员称之为,最理想的尺寸是1纳米,不能太大也不能太小。太大的话,不会和水分子一起通过筛子,起到近滤器的作用;如果太小,水分子就不能穿过这些小孔。计算机模拟结果表明,这种石墨烯分子筛性能优异,需要缓慢完成脱盐过程。

虽然这种方法在理论上不切实际,但它是有效的
直到2017年,“筛子”的研发才有了新的曙光。英国曼彻斯特大学的研究小组开发了一种石墨烯筛,可以扰动海水中的盐。以前水解后的石墨烯薄膜在水洗时,并不经常收缩到一定程度,使得盐分子需要突破薄膜上的孔隙,这样过滤效果就接近了。

曼彻斯特大学的专家使用环氧树脂来避免薄膜收缩,这使得根据需要调整盐的过滤程度成为可能。石墨烯用于海水淡化的示意图。红白球是水分子,绿球是盐,中间的石墨烯滤网只能让水分子通过。相反,海水淡化最常用的反渗透技术,原则上是用一种特殊的膜来过滤海水中的盐分。

但是由于这些膜上的孔隙都是非常颗粒状的,海水必须以很大的压力被迫通过膜,所以在海水淡化过程中必须用于水泵破海水,消耗大量的能量。相比之下,在相同的压力下,新石墨烯技术的过滤速度比哈密顿反渗透膜技术慢数百倍,因此可以更好地节约能源。

柔性半透明石墨烯太阳能电池光伏电池是可再生能源的主要力量之一。然而,在今天的城市里,人们发现随着楼层越建越高,阳光在一天中照射在地面和屋顶上的时间越来越短。

稀有的太阳能电池板已经不能满足市场需求。人们迫切需要像玻璃一样半透明,可以安装在更好的场合或建筑物侧面的面板材料,这给石墨烯材料带来了新的应用。目前,氧化铟锡(ITO)是太阳能电池生产中最常用的材料。这种材料符合导电性和透明性的要求,但是硬度低,更容易掉下来。

此外,铟作为一种稀有金属,被用来生产太阳能电池,这使得电池的成本很高。石墨烯层是由无处不在的碳制成的材料,不仅电导率低、可倾斜、半透明,而且制成的电极只有一纳米薄,更符合超薄有机太阳能电池的市场需求,因此将成为未来取代当前主流材料的最佳自由选择。2012年底,麻省理工学院的研究人员开发了一种在柔性石墨烯片上涂覆纳米线的新方法,为生产成本低、半透明、柔性差的太阳能电池提供了一条不现实的途径。

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五年后,麻省理工学院的研究人员开发了一种生产柔性半透明石墨烯太阳能电池的技术,可以安装在各种物质的表面。2017年7月,麻省理工学院展出了含有石墨烯材料的半透明弹性太阳能电池。2017年,清华大学材料研究所的朱洪达教授指出,石墨烯在太阳能电池、光电子等领域的应用与锂电池等领域相比还不成熟。

主要是高质量大面积单层石墨烯薄膜的大规模制备技术还不成熟,行业以后肯定有希望。石墨烯智能卡可能取代塑料卡。今年6月,联合国发出警告,塑料污染正在围攻地球,治理源头势在必行。

关上抽屉和钱包,数一数自己有多少张塑料卡,比如银行卡和会员卡。这意味着在英国,每月有近6000万张信用卡和其他银行卡在流通。

卡片的复杂性不仅大大增加了人们的金属工作量和不便,而且消耗了相当多的塑料材料,增加了塑料污染管理的可玩性。几年前,专注于石墨烯研究、制备和工业应用的西班牙研究机构石墨烯纳米(Graphene Nano)以创新的石墨烯聚合物电池震惊了业界。

该机构向公众展示的许多前景是石墨烯智能卡可以改变这一切。可以说需要覆盖所有个人信用卡、交通卡、会员卡甚至登机牌、火车票,从源头上大大减少塑料浪费。

石墨烯智能卡有望取代大量塑料卡。今年3月,有消息透露,欧洲研究小组在开发高柔性、低电导率的碳基天线方面取得了进展。

该技术采用石墨烯填充的多层薄膜,用仅由碳原子组成的新型天线取代经典的全金属天线。利用该技术制造的近场通信设备(NFC)在加工过程中不需要对金属进行化学转移印刷或高温热处理,具有更耐腐蚀、化学稳定性低的优点,可以映射可穿戴电子设备,并且不重复使用该设备向环境中释放重金属离子。这种轻质低成本的碳基材料无疑具有相当大的环境吸引力。

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电影《哈利波特》中石墨烯电子纸的前景是无限的。英国魔法阵排名第一的报纸给无数粉丝留下了深刻的印象。报纸上的人物会说话但不会动。它真的是一个可拆卸的多媒体显示器。

很多观众不会回想起同一个问题:这样的报纸什么时候才能回来?很快,电子纸技术让这个梦想成为可能。电子纸被学术界称为“造纸术的革命”,是报纸杂志图书电子出版发行和物联网界面展示的理想载体。

然而,由于全球储量有限,铟薄膜的研发前景有限,电子纸的技术推广有限,价格昂贵。2014年9月,剑桥大学石墨烯中心和塑料逻辑公司联合制作并展出了第一张基于石墨烯的电子纸。他们使用的技术是通过电场重新排列溶液上的浮动粒子,使其显示图像。这个显示器和现在的电子阅读器显示器很像,只是用软塑料代替了玻璃。

当然,这是石墨烯技术首次应用于基于晶体管的电子器件。2014年9月,剑桥大学石墨烯中心和英国塑料逻辑公司联合推出柔性电子纸。由于电子纸倾斜后可以显示数字内容,这是一个里程碑。

一定程度上意味着大幅减少纸张浪费,让印刷出版发行行业“更蓝”,而是以更低的成本和最便捷的生产解决方案开发出性能更好的超级电容器和太阳能电池。为了创造更好的未来,这项技术将不会应用于高分辨率医学图像系统和低精度手势识别应用。

2016年夏天,土耳其比尔尼克大学的研究人员将一张普通的打印纸放在两张石墨烯薄膜(由多层石墨烯组成)之间,并将其转化为一种柔性电子纸。他们还将石墨烯化学键合成多像素图案,将纸张切割成三维形状,并在其上印刷彩色图案,显示出不同于晶圆技术的另一种效果。2018年6月5日,广州奥艺电子月公布了接近零功耗、高性能、量产的彩色电子纸显示屏。2016年,中国也开发了自己的石墨烯电子纸。

广州奥艺电子科技有限公司和重庆磨溪科技有限公司经过近一年的艰苦发展,共同开发了石墨烯薄膜和电子墨水配方及填充技术,使得电子墨水需要涂覆在石墨烯薄膜上,形成石墨烯电子纸。今年6月5日世界环境日,广州奥意电子有限公司对外公布了一款接近零功耗、高性能、大批量生产的彩色电子纸显示屏。这项技术将我国电子纸的性能提高到了一个新的水平,也为石墨烯的产业化创造了新的空间。

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