A. 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
B. 石墨烯超级电容器原理
一、成本问题。用 [公式] 模板，然后采用 CVD 工艺用 [公式] 做碳氮源，长出石墨烯材料，再用氢氟酸腐蚀掉模板，得到三维石墨烯块材料的工艺，确实其成本太高工业化生产难以接受。能否采用其它已有的成熟工艺降低成本呢？这是有可能的。例如：采用溶胶凝胶法用石墨烯微片低成本地制备石墨烯气凝胶三维块。众多的研究文献已公开了这方面的技术，浙江大学高超及中科院金属所成会明研究的三维石墨烯气凝胶制备技术是可以参考的。但是，采用溶胶凝胶法实现低成本的关键，是如何低成本地制备石墨烯微片。现广泛采用化学液相机械剥离法制备二维的氧化态石墨烯微片成本高，还存在使用化学材料对环境影响大、需将石墨烯还原处理工艺长导电性下降、二维微片易粘结成团等等问题。
二、氮化处理对环境的影响问题。若工业化生产中采用实验室中常用的浓硝酸处理氮化工艺，确实环评很困难通过，必须找到更好的氮化工艺工业化。
三、能量密度问题。能量密度是超级电容器的“死穴”。为提高超级电容器的能量密度，国内外都投入了大量的资金和人力在研究。但是，国内外研究的路线，基本是研究新型电极材料以提高电极的比容量，或研究于电极表面产生化学反应的复合型电极，中科院上海硅酸盐所的超级电容器公开之前，超级电容器的能量密度问题还没见突破性进展。通常超级电容器的碳电极的比容量小于250F/g，目前已知最高比容量的材料为氧化钌，其比容量为 900F/g。但氧化钌的价格太贵，工业生产中不可能应用。黄富强研究员等采用氮化技术将石墨烯电极的比容量提高至 855F/g，是目前已报导的高比容量材料的最高水平。
接着，我们从实业的角度来看，宁波中车新能源科技在超级电容单体已经量产了五款产品用在电车上，虽然能量密度最大为 40Wh/kg，但总是比 2015 年的 10.7Wh/kg 有了突破。
我们去年也投入石墨烯超级电容的开发，使用的多孔洞石墨烯具有 350F/g 之比电容，选择使用水系电解液，因水系电解液之电位窗只有 1V，改用有机电解液制造超级电容可以有效扩大电位窗，提升能量密度。水系电解液和有机电解液适用的石墨烯不太一样，在有机电解液中，石墨烯之官能基要尽量去除。
另外，对电动载具而言，体积电容量（F/cc）比克电容量（F/g）更为重要。石墨烯可快速充放电并有高克电容量（F/g），但是体积电容（F/cc）很低，因其压实密度太低。反之，活性碳具有高的体积电容（F/cc），因其压实密度大；但快速充放电效能差。故我们选择多孔石墨烯搭配活性碳来提高电极活物的密度，能有效提升体积电容。左图是每公斤能量与功率，右图是每公升能量与功率。碳材是氮掺杂多孔石墨烯搭配活性碳，使用有机系电解液（2.5V）。