A. 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
B. 石墨烯超級電容器原理
一、成本問題。用 [公式] 模板，然後採用 CVD 工藝用 [公式] 做碳氮源，長出石墨烯材料，再用氫氟酸腐蝕掉模板，得到三維石墨烯塊材料的工藝，確實其成本太高工業化生產難以接受。能否採用其它已有的成熟工藝降低成本呢？這是有可能的。例如：採用溶膠凝膠法用石墨烯微片低成本地制備石墨烯氣凝膠三維塊。眾多的研究文獻已公開了這方面的技術，浙江大學高超及中科院金屬所成會明研究的三維石墨烯氣凝膠制備技術是可以參考的。但是，採用溶膠凝膠法實現低成本的關鍵，是如何低成本地制備石墨烯微片。現廣泛採用化學液相機械剝離法制備二維的氧化態石墨烯微片成本高，還存在使用化學材料對環境影響大、需將石墨烯還原處理工藝長導電性下降、二維微片易粘結成團等等問題。
二、氮化處理對環境的影響問題。若工業化生產中採用實驗室中常用的濃硝酸處理氮化工藝，確實環評很困難通過，必須找到更好的氮化工藝工業化。
三、能量密度問題。能量密度是超級電容器的「死穴」。為提高超級電容器的能量密度，國內外都投入了大量的資金和人力在研究。但是，國內外研究的路線，基本是研究新型電極材料以提高電極的比容量，或研究於電極表面產生化學反應的復合型電極，中科院上海硅酸鹽所的超級電容器公開之前，超級電容器的能量密度問題還沒見突破性進展。通常超級電容器的碳電極的比容量小於250F/g，目前已知最高比容量的材料為氧化釕，其比容量為 900F/g。但氧化釕的價格太貴，工業生產中不可能應用。黃富強研究員等採用氮化技術將石墨烯電極的比容量提高至 855F/g，是目前已報導的高比容量材料的最高水平。
接著，我們從實業的角度來看，寧波中車新能源科技在超級電容單體已經量產了五款產品用在電車上，雖然能量密度最大為 40Wh/kg，但總是比 2015 年的 10.7Wh/kg 有了突破。
我們去年也投入石墨烯超級電容的開發，使用的多孔洞石墨烯具有 350F/g 之比電容，選擇使用水系電解液，因水系電解液之電位窗只有 1V，改用有機電解液製造超級電容可以有效擴大電位窗，提升能量密度。水系電解液和有機電解液適用的石墨烯不太一樣，在有機電解液中，石墨烯之官能基要盡量去除。
另外，對電動載具而言，體積電容量（F/cc）比克電容量（F/g）更為重要。石墨烯可快速充放電並有高克電容量（F/g），但是體積電容（F/cc）很低，因其壓實密度太低。反之，活性碳具有高的體積電容（F/cc），因其壓實密度大；但快速充放電效能差。故我們選擇多孔石墨烯搭配活性碳來提高電極活物的密度，能有效提升體積電容。左圖是每公斤能量與功率，右圖是每公升能量與功率。碳材是氮摻雜多孔石墨烯搭配活性碳，使用有機系電解液（2.5V）。