石墨烯吸附技術水處理應用

Ⅰ 石墨烯的應用和用途

石墨烯是一種廣為人知的二維碳同素異形體，與地球上發現的任何材料一樣，用途廣泛。它作為最輕、最堅固的材料，其驚人的性能，與它比其他任何東西都更能導熱和導電的能力相比，意味著它可以集成到大量的應用中。起初這意味著石墨烯用於幫助改善當前的材料和物質的性能和效率,但在未來還將開發與其他二維(2 d)晶體創造一些更神奇的化合物,以適應一個更廣泛的應用。要了解石墨烯的潛在應用，首先必須了解材料的基本特性。

第一次人工合成石墨烯;科學家們真的把一片石墨一層一層地解剖，直到只剩下一層。這個過程被稱為機械剝落。由此產生的石墨單層(稱為石墨烯)只有1個原子厚，因此是最薄的材料，當它對元素(溫度、空氣等)開放時不會變得不穩定。因為石墨烯是只有一個原子厚度,可以創建其他材料由不合時宜的插入石墨烯層與其他化合物(例如,石墨烯的一層,一層的另一個化合物,其次是另一層石墨烯,等等),有效地使用石墨烯作為原子腳手架的設計的其他材料。這些新創造的化合物也可能是頂級材料，就像石墨烯一樣，但可能有更多的應用。

在石墨烯的發展和其特殊性質的發現之後，人們對其他二維晶體的興趣大大增加，這並不奇怪。這些其他二維晶體(如氮化硼、二烯化鈮和硫化鉭)可以與其他二維晶體結合使用，應用范圍幾乎是無限的。所以，舉個例子，如果你用復合二硼化鎂(MgB2)，它被認為是一種相對高效的超導體，然後在它的硼鎂交替原子層中加入單獨的石墨烯層，它作為超導體的效率就會提高。或者,另一個例子是在結合礦物輝鉬礦(監理),它可以用作半導體,與石墨烯層(石墨烯是一個奇妙的導體)在創建NAND快閃記憶體,開發快閃記憶體小得多,比現有技術更靈活,(以一組研究人員已經證明在洛桑聯邦理工(EPFL)在瑞士)。

石墨烯唯一的問題是，高質量的石墨烯是一種沒有帶隙(無法關閉)的偉大導體。因此，為了在未來的納米電子器件中使用石墨烯，需要在石墨烯中設計一個帶隙，從而將其電子遷移率降低到目前在應變硅薄膜中看到的水平。這本質上意味著未來需要進行研究和開發，以便石墨烯在未來取代硅用於電力系統。然而，最近幾個研究小組已經表明，這不僅是可能的，而且是可能的，我們正在看幾個月，而不是幾年，直到這至少在基本水平上實現。有些人說，這類研究應該避免，因為它類似於把石墨烯變成它不是的東西。

無論如何，這兩個例子只是一個研究領域的冰山一角，而石墨烯是一種可以應用於許多學科的材料，包括但不限於:生物工程、復合材料、能源技術和納米技術。

生物工程必將是石墨烯在未來成為重要組成部分的領域;盡管在使用它之前有些障礙需要克服。目前的估計表明,它不會是直到2030年,當我們將開始看到石墨烯廣泛應用於生物應用程序作為我們仍然需要了解其生物相容性(和它必須經歷許多安全、臨床試驗和監管,簡單地說,將會花費很長的時間)。然而，它所顯示的特性表明，它可能在許多方面給這一領域帶來革命性的變化。石墨烯具有較大的表面積、高導電性、薄度和強度，將成為開發快速高效的生物電感測設備的良好候選材料，能夠監測葡萄糖水平、血紅蛋白水平、膽固醇甚至DNA測序。最終，我們甚至可能看到經過設計的「有毒」石墨烯，它可以用作抗生素甚至抗癌治療。此外，由於其分子組成和潛在的生物相容性，它可以用於組織再生過程中。

我們將很快開始看到石墨烯用於商業規模的一個特殊領域是光電子領域;特別是觸摸屏、液晶顯示器(LCD)和有機發光二極體(oled)。的材料可以用於光電應用程序,它必須能夠傳輸超過90%的光和也提供電子導電性能超過1 x 106Ω1m1因此低電阻。石墨烯是一種幾乎完全透明的材料，能夠通過光學傳輸高達97.7%的光。正如我們之前提到的，它的導電性也很高，因此它在智能手機、平板電腦、台式電腦和電視的液晶觸摸屏等光電子應用中非常好用。

目前應用最廣泛的材料是氧化銦錫(ITO)，在過去幾十年ITO製造技術的發展，使得ITO材料能夠很好地應用於這一領域。然而，最近的測試表明，石墨烯有潛力與ITO的性能相匹配，即使是在當前(相對不發達的)狀態下。此外，最近的研究表明，通過調整費米能級可以改變石墨烯的光學吸收。雖然這聽起來不像是對ITO的很大改進，但石墨烯顯示出了額外的性能，通過用石墨烯取代ITO，可以在光電子領域開發出非常聰明的技術。高質量石墨烯具有很高的抗拉強度和柔性(彎曲半徑小於可滾動電子紙所需的5-10mm)，這一事實幾乎不可避免地使其很快將被用於上述應用。

就潛在的實際電子應用而言，我們最終有望看到基於石墨烯的電子紙等設備能夠顯示互動式和可更新的信息，以及包括攜帶型電腦和電視在內的柔性電子設備。

「石墨烯是一種可用於多種學科的材料，包括但不限於：生物工程，復合材料，能源技術和納米技術。」

石墨烯的另一個突出特性是，雖然它允許水通過它，但它幾乎完全不受液體和氣體（即使是相對較小的氦分子）的影響。這意味著石墨烯可以用作超濾介質，作為兩種物質之間的屏障。使用石墨烯的好處是它只有1個單原子厚度，並且還可以作為屏障開發，以電子方式測量2種物質之間的應變和壓力（在許多其他變數中）。哥倫比亞大學的一組研究人員設法製造了孔徑小至5nm的單層石墨烯過濾器（目前，先進的納米多孔膜的孔徑為30-40nm）。雖然這些孔徑非常小，但由於石墨烯很薄，因此超濾過程中的壓力降低。聯合目前，石墨烯比氧化鋁強得多且不易碎（目前用於低於100nm的過濾應用）。這是什麼意思？嗯，這可能意味著石墨烯被開發用於水過濾系統，海水淡化系統以及高效且經濟上更可行的生物燃料創造。

石墨烯堅固，堅硬，非常輕盈。目前，航空航天工程師正在將碳纖維納入飛機的生產中，因為它也非常堅固和輕便。然而，石墨烯更強，同時也更輕。最終，預計石墨烯被利用（可能集成到塑料中，如環氧樹脂），以創造一種材料，可以取代飛機結構中的鋼材，提高燃料效率，范圍和減輕重量。由於其導電性，它甚至可以用於塗覆飛機表面材料，以防止雷擊造成的電氣損壞。在該示例中，相同的石墨烯塗層也可用於測量應變率，通知飛行員飛機機翼所處的應力水平的任何變化。

提供非常低的光吸收水平（約為白光的2.7％）同時還提供高電子遷移率意味著石墨烯可用作光伏電池製造中硅或ITO的替代物。硅目前廣泛用於光伏電池的生產，但是雖然硅電池的生產成本非常高，但基於石墨烯的電池可能要少得多。當諸如硅的材料將光轉化為電能時，它會為每個產生的電子產生光子，這意味著許多潛在的能量會因熱量而損失。最近發表的研究證明，當石墨烯吸收光子時，它實際上會產生多個電子。此外，雖然硅能夠從某些波長的光帶發電，但石墨烯能夠在所有波長上工作，這意味著石墨烯具有與硅，ITO或（也廣泛使用的）砷化鎵一樣高效的潛力。柔韌薄，意味著石墨烯基光伏電池可用於服裝; 幫助為手機充電，甚至用作復古光伏窗戶或窗簾，為家庭供電。

正在進行高度研究的一個研究領域是儲能。雖然過去幾十年來電子產品的所有領域都在以非常快的速度發展（參考摩爾定律，該法律規定電子電路中使用的晶體管數量將每兩年增加一倍），但問題始終是存儲能量不使用時，請使用電池和電容器。這些能量存儲解決方案的發展速度要慢得多。問題在於：電池可能會佔用大量能量，但充電可能需要很長時間，另一方面，電容器可以非常快速地充電，但不能保持那麼多能量（相對來說） ）。

目前，科學家正致力於提高鋰離子電池的性能（通過將石墨烯作為陽極），以提供更高的存儲容量，並具有更好的壽命和充電速率。此外，正在研究和開發石墨烯以用於製造超級電容器，其能夠非常快速地充電，並且還能夠存儲大量電力。基於石墨烯的微超級電容器可能會被開發用於智能電話和攜帶型計算設備等低能耗應用，並且可能在未來5到10年內在商業上可用。石墨烯增強型鋰離子電池可以用於更高能耗的應用，例如電動車輛，或者它們可以用作智能手機中的鋰離子電池，

文章轉載自公眾號:石墨烯雷達

Ⅱ 石墨烯的作用和功效是什麼

1、感測器

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性能來完成的，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。

2、晶體管

石墨烯可以用來製作晶體管，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。

3、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納米寬的通道，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。

(2)石墨烯吸附技術水處理應用擴展閱讀：

石墨烯的特性

石墨烯具有非常良好的光學特性，在較寬波長范圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優異的光學特性，且其光學特性隨石墨烯厚度的改變而發生變化。

這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結構。室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0~0.25eV間調整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學響應可調諧至太赫茲范圍。

Ⅲ 石墨烯前景如何，有哪些領域可以用到

石墨烯性能獨特，被譽為「黑金」材料，當然有發展前景了，因為美國，日本等國家都將石墨烯材料應用到了各種領域呢，很受歡迎，目前烯旺科技獨創了石墨烯發熱膜，應用到了遠紅外理療產品上。

Ⅳ 石墨烯材料有哪些方面的應用效果如何

1.單分子氣體偵測
石墨烯獨特的二維結構使它在感測器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附於石墨烯表面時，吸附位置會發生電阻的局域變化。當然，這種效應也會發生於別種物質，但石墨烯具有高電導率和低雜訊的優良品質，能夠偵測這微小的電阻變化。
2.光能飛行器
中國南開大學2015年6月中在《自然》期刊下屬的自然光學期刊發布了一則研究報告，[66]陳永勝教授其團隊發現一種特殊三維構型的石墨烯塊，在室溫且真空無阻力下被光線照射時居然會被推進移動，其效應是巨觀的而非微觀，半公分立方大小的實驗體被光線照射後前進了數公分距離，其原理還是謎，推測可能是該種構型石墨烯在受光後瞬間會產生大電子流，其非常適合用於太空領域的太陽帆，計算得知約50平方米的石墨烯帆能讓5公斤的酬載物在20分鍾加速到第一宇宙速度。
3.石墨烯納米帶
為了要賦予單層石墨烯某種電性（比如製造晶體管），會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphene nanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。採用緊束縛近似模型做出的計算，預測鋸齒形具有金屬鍵性質，又預測扶手椅形具有金屬鍵性質或半導體性質；到底是哪種性質，要依寬度而定。可是，近來根據密度泛函理論計算得到的結果，顯示出扶手椅形具有半導體性質，其能隙與納米帶帶寬成反比，實驗結果確實地展示出，隨著納米帶帶寬減小，能隙會增大。但是，直至2008年2月，尚沒有任何測量能隙的實驗試著辨識精確邊緣結構。
石墨烯納米帶的結構具有高電導率、高熱導率、低雜訊，這些優良品質促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來製成量子點，他們在納米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。
石墨烯納米帶的低維結構具有非常重要的光電性能：粒子數反轉和寬頻光增益。這些優良品質促使石墨烯納米帶放在微腔或納米腔體中形成激光器和放大器。 根據2012年10月的一份研究表明有些研究者試著用石墨烯納米帶應用於光通信系統，發展石墨烯納米帶激光器。
4.集成電路
石墨烯具備作為優秀的集成電路電子器件的理想性質。石墨烯具有高的載子遷移率（carrier mobility），以及低雜訊，允許它被用作在場效應晶體管的通道。問題是單層的石墨烯製造困難，更難作出適當的基板。
根據2010年1月的一份報告中，對SiC外延生長石墨烯的數量和質量適合大規模生產的集成電路。在高溫下，在這些樣品中的量子霍爾效應可以被測量。另請參閱IBM在2010年的工作的晶體管一節中，速度快的晶體管'處理器'製造了2-英寸（51-毫米）的石墨烯薄片。
2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成功地創造了第一個石墨烯為基礎的集成電路-寬頻無線混頻器。電路處理頻率高達10 GHz，其性能在高達127℃的溫度下不受影響。
5.石墨烯晶體管
2005年，Geim研究組與Kim研究組發現，室溫下石墨烯具有10倍於商用矽片的高載流子遷移率（約10 am /V·s），並且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300 K下可達0.3 m），這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助於進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。在現代技術下，石墨烯納米線可以證明一般能夠取代硅作為半導體。
6.透明導電電極
石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發光二極體等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優良。由於氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積於大面積區域。
通過化學氣相沉積法，可以製成大面積、連續的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜，主要用於光伏器件的陽極，並得到高達1.71%能量轉換效率；與用氧化銦錫材料製成的元件相比，大約為其能量轉換效率的55.2%。
7.導熱材料/熱界面材料
2011年,美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）學者首先報道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結構在熱界面材料中的應用及其超高等效熱導率和超低界面熱阻。
場發射源及其真空電子器件
早在2002年，垂直於基底表面的石墨烯納米牆就被成功制備出來。它被看作是非常優良場致發射電子源材料。最近關於單片石墨烯的電場致電子發射效應也見諸報道。
8.超級電容器
由於石墨烯具有特高的表面面積對質量比例，石墨烯可以用於超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大於現有的電容器。
9.海水淡化
研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度的勝過其他的海水淡化技術。
10.太陽能電池
南加州大學維特比工程學院的實驗室報告高度透明的石墨烯薄膜的化學氣相沉積法在2008年的大規模生產。在這個過程中，研究人員創建超薄的石墨烯片，方法是在甲烷氣體中的鎳板上，由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然後，他們在石墨烯層之上鋪一層熱塑性保護層，並且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最後的步驟中，他們把塑料保護的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材，它可以被納入一個有機太陽能電池（石墨烯光伏電池）。石墨烯/聚合物片材已被生產，大小范圍在150平方厘米，和可以用來生產靈活的有機太陽能電池。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣（卷到卷, （roll-to-roll））。
2010年，Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次將石墨烯與硅結合構建了一種新型的太陽能電池。在這種簡易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不僅可以作為透明導電薄膜，還可以在與硅的界面處分離光生載流子。這種可以與傳統硅材料結合的結構，為推動基於石墨烯的光伏器件開辟了新的研究方向。
11.石墨烯生物器件
由於石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結構等等特色，應用於細菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優良的選擇。
科學家希望能夠發展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯製成一個尺寸大約為DNA寬度的奈米洞，讓DNA分子游過這奈米洞。由於DNA的四個鹼基（A、C、G、T）會對於石墨烯的電導率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個鹼基正在游過奈米洞。這樣，就可以達成目的。
12.抗菌物質
中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對於抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。
13.石墨烯感光元件
一群來自新加坡專精於石墨烯材質研究的科學家們，現在研發出將石墨烯應用於相機感光元件的最新技術，可望徹底顛覆未來的數位感光元件技術發展。
新加坡南洋理工大學學者，研發出了一個以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過其特殊結構，讓感光元件感光能力比起傳統CMOS或CCD要好上1,000倍，而且損耗的能源也僅需原本的1/10。這個感度幾乎提升到爆表的最新感光元件技術，根據資料，實際上還真的厲害到超出人眼可視的中紅外線范圍。與許多新的感光元件技術相同，這項技術初期將率先被應用在監視器與衛星影像領域之中。但研究也指出，此技術終將應用在一般的數碼相機 / 攝影機之上，假若真的進入消費領域以石墨烯打造的最新感光元件，還可能製造成本壓到現今的1/5低。
壓力山笑

Ⅳ 石墨烯作用和功效

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一個嶄新的研究方向：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變其表面的活性。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
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性能來完成的，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。
晶體管
石墨烯可以用來製作晶體管，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前以硅為材料的晶體管在10納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，又使得由它製成的晶體管可以達到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的硅晶體管。
柔性顯示屏
消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。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。韓國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。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63厘米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摸屏。
新能源電池
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納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、相機等小型數碼設備中應用。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納米寬的通道，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
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。2014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、航天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、智能手機等。