石墨烯吸附技术水处理应用

Ⅰ 石墨烯的应用和用途

石墨烯是一种广为人知的二维碳同素异形体，与地球上发现的任何材料一样，用途广泛。它作为最轻、最坚固的材料，其惊人的性能，与它比其他任何东西都更能导热和导电的能力相比，意味着它可以集成到大量的应用中。起初这意味着石墨烯用于帮助改善当前的材料和物质的性能和效率,但在未来还将开发与其他二维(2 d)晶体创造一些更神奇的化合物,以适应一个更广泛的应用。要了解石墨烯的潜在应用，首先必须了解材料的基本特性。

第一次人工合成石墨烯;科学家们真的把一片石墨一层一层地解剖，直到只剩下一层。这个过程被称为机械剥落。由此产生的石墨单层(称为石墨烯)只有1个原子厚，因此是最薄的材料，当它对元素(温度、空气等)开放时不会变得不稳定。因为石墨烯是只有一个原子厚度,可以创建其他材料由不合时宜的插入石墨烯层与其他化合物(例如,石墨烯的一层,一层的另一个化合物,其次是另一层石墨烯,等等),有效地使用石墨烯作为原子脚手架的设计的其他材料。这些新创造的化合物也可能是顶级材料，就像石墨烯一样，但可能有更多的应用。

在石墨烯的发展和其特殊性质的发现之后，人们对其他二维晶体的兴趣大大增加，这并不奇怪。这些其他二维晶体(如氮化硼、二烯化铌和硫化钽)可以与其他二维晶体结合使用，应用范围几乎是无限的。所以，举个例子，如果你用复合二硼化镁(MgB2)，它被认为是一种相对高效的超导体，然后在它的硼镁交替原子层中加入单独的石墨烯层，它作为超导体的效率就会提高。或者,另一个例子是在结合矿物辉钼矿(监理),它可以用作半导体,与石墨烯层(石墨烯是一个奇妙的导体)在创建NAND闪存,开发闪存小得多,比现有技术更灵活,(以一组研究人员已经证明在洛桑联邦理工(EPFL)在瑞士)。

石墨烯唯一的问题是，高质量的石墨烯是一种没有带隙(无法关闭)的伟大导体。因此，为了在未来的纳米电子器件中使用石墨烯，需要在石墨烯中设计一个带隙，从而将其电子迁移率降低到目前在应变硅薄膜中看到的水平。这本质上意味着未来需要进行研究和开发，以便石墨烯在未来取代硅用于电力系统。然而，最近几个研究小组已经表明，这不仅是可能的，而且是可能的，我们正在看几个月，而不是几年，直到这至少在基本水平上实现。有些人说，这类研究应该避免，因为它类似于把石墨烯变成它不是的东西。

无论如何，这两个例子只是一个研究领域的冰山一角，而石墨烯是一种可以应用于许多学科的材料，包括但不限于:生物工程、复合材料、能源技术和纳米技术。

生物工程必将是石墨烯在未来成为重要组成部分的领域;尽管在使用它之前有些障碍需要克服。目前的估计表明,它不会是直到2030年,当我们将开始看到石墨烯广泛应用于生物应用程序作为我们仍然需要了解其生物相容性(和它必须经历许多安全、临床试验和监管,简单地说,将会花费很长的时间)。然而，它所显示的特性表明，它可能在许多方面给这一领域带来革命性的变化。石墨烯具有较大的表面积、高导电性、薄度和强度，将成为开发快速高效的生物电传感设备的良好候选材料，能够监测葡萄糖水平、血红蛋白水平、胆固醇甚至DNA测序。最终，我们甚至可能看到经过设计的“有毒”石墨烯，它可以用作抗生素甚至抗癌治疗。此外，由于其分子组成和潜在的生物相容性，它可以用于组织再生过程中。

我们将很快开始看到石墨烯用于商业规模的一个特殊领域是光电子领域;特别是触摸屏、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(oled)。的材料可以用于光电应用程序,它必须能够传输超过90%的光和也提供电子导电性能超过1 x 106Ω1m1因此低电阻。石墨烯是一种几乎完全透明的材料，能够通过光学传输高达97.7%的光。正如我们之前提到的，它的导电性也很高，因此它在智能手机、平板电脑、台式电脑和电视的液晶触摸屏等光电子应用中非常好用。

目前应用最广泛的材料是氧化铟锡(ITO)，在过去几十年ITO制造技术的发展，使得ITO材料能够很好地应用于这一领域。然而，最近的测试表明，石墨烯有潜力与ITO的性能相匹配，即使是在当前(相对不发达的)状态下。此外，最近的研究表明，通过调整费米能级可以改变石墨烯的光学吸收。虽然这听起来不像是对ITO的很大改进，但石墨烯显示出了额外的性能，通过用石墨烯取代ITO，可以在光电子领域开发出非常聪明的技术。高质量石墨烯具有很高的抗拉强度和柔性(弯曲半径小于可滚动电子纸所需的5-10mm)，这一事实几乎不可避免地使其很快将被用于上述应用。

就潜在的实际电子应用而言，我们最终有望看到基于石墨烯的电子纸等设备能够显示交互式和可更新的信息，以及包括便携式电脑和电视在内的柔性电子设备。

“石墨烯是一种可用于多种学科的材料，包括但不限于：生物工程，复合材料，能源技术和纳米技术。”

石墨烯的另一个突出特性是，虽然它允许水通过它，但它几乎完全不受液体和气体（即使是相对较小的氦分子）的影响。这意味着石墨烯可以用作超滤介质，作为两种物质之间的屏障。使用石墨烯的好处是它只有1个单原子厚度，并且还可以作为屏障开发，以电子方式测量2种物质之间的应变和压力（在许多其他变量中）。哥伦比亚大学的一组研究人员设法制造了孔径小至5nm的单层石墨烯过滤器（目前，先进的纳米多孔膜的孔径为30-40nm）。虽然这些孔径非常小，但由于石墨烯很薄，因此超滤过程中的压力降低。联合目前，石墨烯比氧化铝强得多且不易碎（目前用于低于100nm的过滤应用）。这是什么意思？嗯，这可能意味着石墨烯被开发用于水过滤系统，海水淡化系统以及高效且经济上更可行的生物燃料创造。

石墨烯坚固，坚硬，非常轻盈。目前，航空航天工程师正在将碳纤维纳入飞机的生产中，因为它也非常坚固和轻便。然而，石墨烯更强，同时也更轻。最终，预计石墨烯被利用（可能集成到塑料中，如环氧树脂），以创造一种材料，可以取代飞机结构中的钢材，提高燃料效率，范围和减轻重量。由于其导电性，它甚至可以用于涂覆飞机表面材料，以防止雷击造成的电气损坏。在该示例中，相同的石墨烯涂层也可用于测量应变率，通知飞行员飞机机翼所处的应力水平的任何变化。

提供非常低的光吸收水平（约为白光的2.7％）同时还提供高电子迁移率意味着石墨烯可用作光伏电池制造中硅或ITO的替代物。硅目前广泛用于光伏电池的生产，但是虽然硅电池的生产成本非常高，但基于石墨烯的电池可能要少得多。当诸如硅的材料将光转化为电能时，它会为每个产生的电子产生光子，这意味着许多潜在的能量会因热量而损失。最近发表的研究证明，当石墨烯吸收光子时，它实际上会产生多个电子。此外，虽然硅能够从某些波长的光带发电，但石墨烯能够在所有波长上工作，这意味着石墨烯具有与硅，ITO或（也广泛使用的）砷化镓一样高效的潜力。柔韧薄，意味着石墨烯基光伏电池可用于服装; 帮助为手机充电，甚至用作复古光伏窗户或窗帘，为家庭供电。

正在进行高度研究的一个研究领域是储能。虽然过去几十年来电子产品的所有领域都在以非常快的速度发展（参考摩尔定律，该法律规定电子电路中使用的晶体管数量将每两年增加一倍），但问题始终是存储能量不使用时，请使用电池和电容器。这些能量存储解决方案的发展速度要慢得多。问题在于：电池可能会占用大量能量，但充电可能需要很长时间，另一方面，电容器可以非常快速地充电，但不能保持那么多能量（相对来说） ）。

目前，科学家正致力于提高锂离子电池的性能（通过将石墨烯作为阳极），以提供更高的存储容量，并具有更好的寿命和充电速率。此外，正在研究和开发石墨烯以用于制造超级电容器，其能够非常快速地充电，并且还能够存储大量电力。基于石墨烯的微超级电容器可能会被开发用于智能电话和便携式计算设备等低能耗应用，并且可能在未来5到10年内在商业上可用。石墨烯增强型锂离子电池可以用于更高能耗的应用，例如电动车辆，或者它们可以用作智能手机中的锂离子电池，

文章转载自公众号:石墨烯雷达

Ⅱ 石墨烯的作用和功效是什么

1、传感器

石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。

2、晶体管

石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。

3、海水淡化

石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后，可形成约0.9纳米宽的通道，小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐份。

(2)石墨烯吸附技术水处理应用扩展阅读：

石墨烯的特性

石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。

这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0~0.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。

Ⅲ 石墨烯前景如何，有哪些领域可以用到

石墨烯性能独特，被誉为“黑金”材料，当然有发展前景了，因为美国，日本等国家都将石墨烯材料应用到了各种领域呢，很受欢迎，目前烯旺科技独创了石墨烯发热膜，应用到了远红外理疗产品上。

Ⅳ 石墨烯材料有哪些方面的应用效果如何

1.单分子气体侦测
石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。当然，这种效应也会发生于别种物质，但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这微小的电阻变化。
2.光能飞行器
中国南开大学2015年6月中在《自然》期刊下属的自然光学期刊发布了一则研究报告，[66]陈永胜教授其团队发现一种特殊三维构型的石墨烯块，在室温且真空无阻力下被光线照射时居然会被推进移动，其效应是巨观的而非微观，半公分立方大小的实验体被光线照射后前进了数公分距离，其原理还是谜，推测可能是该种构型石墨烯在受光后瞬间会产生大电子流，其非常适合用于太空领域的太阳帆，计算得知约50平方米的石墨烯帆能让5公斤的酬载物在20分钟加速到第一宇宙速度。
3.石墨烯纳米带
为了要赋予单层石墨烯某种电性（比如制造晶体管），会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带（Graphene nanoribbon）。切开的边缘形状可以分为锯齿形和扶手椅形。采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。可是，近来根据密度泛函理论计算得到的结果，显示出扶手椅形具有半导体性质，其能隙与纳米带带宽成反比，实验结果确实地展示出，随着纳米带带宽减小，能隙会增大。但是，直至2008年2月，尚没有任何测量能隙的实验试着辨识精确边缘结构。
石墨烯纳米带的结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点，他们在纳米带的某些特定位置改变宽度，形成量子禁闭（quantum confinement）。
石墨烯纳米带的低维结构具有非常重要的光电性能：粒子数反转和宽带光增益。这些优良品质促使石墨烯纳米带放在微腔或纳米腔体中形成激光器和放大器。 根据2012年10月的一份研究表明有些研究者试着用石墨烯纳米带应用于光通信系统，发展石墨烯纳米带激光器。
4.集成电路
石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有高的载子迁移率（carrier mobility），以及低噪声，允许它被用作在场效应晶体管的通道。问题是单层的石墨烯制造困难，更难作出适当的基板。
根据2010年1月的一份报告中，对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路。在高温下，在这些样品中的量子霍尔效应可以被测量。另请参阅IBM在2010年的工作的晶体管一节中，速度快的晶体管'处理器'制造了2-英寸（51-毫米）的石墨烯薄片。
2011年6月，IBM的研究人员宣布，他们已经成功地创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器。电路处理频率高达10 GHz，其性能在高达127℃的温度下不受影响。
5.石墨烯晶体管
2005年，Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（约10 am /V·s），并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300 K下可达0.3 m），这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。在现代技术下，石墨烯纳米线可以证明一般能够取代硅作为半导体。
6.透明导电电极
石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。
通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。
7.导热材料/热界面材料
2011年,美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻。
场发射源及其真空电子器件
早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。它被看作是非常优良场致发射电子源材料。最近关于单片石墨烯的电场致电子发射效应也见诸报道。
8.超级电容器
由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。
9.海水淡化
研究表明，石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。
10.太阳能电池
南加州大学维特比工程学院的实验室报告高度透明的石墨烯薄膜的化学气相沉积法在2008年的大规模生产。在这个过程中，研究人员创建超薄的石墨烯片，方法是在甲烷气体中的镍板上，由首先沉积的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后，他们在石墨烯层之上铺一层热塑性保护层，并且在酸浴中溶解掉下面的镍。在最后的步骤中，他们把塑料保护的石墨烯附着到一个非常灵活的聚合物片材，它可以被纳入一个有机太阳能电池（石墨烯光伏电池）。石墨烯/聚合物片材已被生产，大小范围在150平方厘米，和可以用来生产灵活的有机太阳能电池。这可能最终有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池，就像报纸印刷机的印刷报纸一样（卷到卷, （roll-to-roll））。
2010年，Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次将石墨烯与硅结合构建了一种新型的太阳能电池。在这种简易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不仅可以作为透明导电薄膜，还可以在与硅的界面处分离光生载流子。这种可以与传统硅材料结合的结构，为推动基于石墨烯的光伏器件开辟了新的研究方向。
11.石墨烯生物器件
由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件，石墨烯是个很优良的选择。
科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言，他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的奈米洞，让DNA分子游过这奈米洞。由于DNA的四个碱基（A、C、G、T）会对于石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过奈米洞。这样，就可以达成目的。
12.抗菌物质
中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。
13.石墨烯感光元件
一群来自新加坡专精于石墨烯材质研究的科学家们，现在研发出将石墨烯应用于相机感光元件的最新技术，可望彻底颠覆未来的数位感光元件技术发展。
新加坡南洋理工大学学者，研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过其特殊结构，让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1,000倍，而且损耗的能源也仅需原本的1/10。这个感度几乎提升到爆表的最新感光元件技术，根据资料，实际上还真的厉害到超出人眼可视的中红外线范围。与许多新的感光元件技术相同，这项技术初期将率先被应用在监视器与卫星影像领域之中。但研究也指出，此技术终将应用在一般的数码相机 / 摄影机之上，假若真的进入消费领域以石墨烯打造的最新感光元件，还可能制造成本压到现今的1/5低。
压力山笑

Ⅳ 石墨烯作用和功效

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。
零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的，说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外，石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化，其不但对载流子的浓度进行改变，同时可以掺杂不同的石墨烯。
传感器
石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。
晶体管
石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的硅晶体管。
柔性显示屏
消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示，这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后，他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。
新能源电池
新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。
海水淡化
石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后，可形成约0.9纳米宽的通道，小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸，控制孔径大小，能高效过滤海水中的盐份。
储氢材料
石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点，使之成为储氢材料的最佳候选者。
航空航天
由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年，美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。
感光元件
以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过特殊结构，让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍，而且损耗的能源也仅需原本10%。可应用在监视器与卫星成像领域中，可以应用于照相机、智能手机等。