功能化石墨烯的应用研究新进展
中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第11期: 1247 ~ 1256
https://www.sodocs.net/doc/db13873415.html, https://www.sodocs.net/doc/db13873415.html,
引用格式: Lü P, Feng Y Y, Zhang X Q, et al. Recent progresses in application of functionalized graphene sheets. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 2311?2319, doi:
10.1007/s11431-010-4050-0
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
论文
功能化石墨烯的应用研究新进展
吕鹏, 冯奕钰, 张学全, 瑀李, 封伟*
天津大学材料科学与工程学院, 天津 300072 * E-mail: weifeng@https://www.sodocs.net/doc/db13873415.html,
收稿日期: 2010-01-28; 接受日期: 2010-05-10
国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2010CB934700)、国家自然科学基金(批准号: 50873074, 51011140072)和天津市自然科学基金(批准号: 10JCZDJC22400)项目资助
摘要 石墨烯拥有独特的二维纳米结构, 并显现出了超强的机械性能和优异的电学性能. 尽管它的研究历史很短暂, 但已经在很多领域内展现出了极高的应用价值. 为了使石墨烯在应用过程中能够很好的分散, 通常需要对其进行功能化. 石墨烯功能化的方法大体可分为2种, 即基于共价键的共价键功能化法和依靠分子间作用力的非共价键功能化法. 本文综述了功能化石墨烯(FGs)在光电材料、传感和探测器、储能材料、催化、纳米增强复合物及其他一些领域内的最新应用研究进展, 并展望了未来FGs 应用研究的发展趋势.
关键词 功能化石墨烯 光电材料 传感和探测器 储能材料 催化领域
1 引言
石墨烯作为一种拥有独特结构和优异性能的新型材料, 近几年来其理论研究、制备方法及功能化应用等都已成为国内外学者研究的热点[1, 2]. 石墨烯为单原子层二维结构, 由6个碳原子通过sp 2杂化形成的六边形环构成蜂巢状结构[3]. 作为碳元素单质, 它这种扩展的蜂巢结构是构成另外3种同素异形体的结构基石(图1), 零维的富勒烯可看作是由石墨烯弯曲
成足球状得到的, 一维的碳纳米管其主体管部分也可以看作是由石墨烯卷曲而成, 三维结构的石墨则早已被科学家们认识到是石墨烯片层(GNs)的紧密堆叠[4]. 虽然石墨烯作为概念来说并不是一个新的事物, 而且人们也不断尝试获得厚度更薄的石墨片层[5], 但直到2004年才由曼彻斯特大学Geim 领导的研究小组采用微机械剥离法(micro-mechanical cleavage)制备出了单层的GNs [6]. 这一历史性的突破很快引起了人们极大的研究热情, 近年来相关的研究也层出不穷.
图1 二维的石墨烯可以看作是构成富勒烯、碳纳米管
和石墨等同素异形体的结构基石[3, 4]
稳定的晶格结构使石墨烯在成为已知最薄二维材料的同时还是目前强度最大的材料, 拉伸模量和本征强度分别为1000和130 GPa [7, 8]. 石墨烯的柔韧
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性非常好, 可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来[9]. 石墨烯还拥有优异的电学性能, 其电子是以恒定速率传递的, 载流子迁移率在所有导体中是最大的, 室温下可达到1.5×104 cm 2/ V ?s [10]. 石墨烯属于零带隙半导体, 具有完美的量子隧道效应、室温半整数量子霍尔效应和二极电场效应等[11]. 基于这些奇妙的特性, 人们一直期望将这一新材料应用于能量储存、微电子、生物医药、信息传输和纳米复合材料等领域, 很快使它成为纳米科技研究领域里一颗闪耀的明星[12~14]. 但是在应用的过程中存在着一个令人十分困扰的问题, 即在石墨烯的分散过程中, 由于单一的完整六元环结构, 使得GNs 间存在很强的分子间作用力(如π-π键相互作用力), 各片层很容易堆叠在一起, 并且石墨烯表面呈现稳定惰性, 很难溶解于溶剂中, 更难与其他有机或无机材料均匀的复合. 石墨烯的各种优异性能只有在各片层保持分散状态时才能显现出来, 因而改善石墨烯与各种溶剂和材料的相容性成为了扩展石墨烯应用领域、提高器件化效率的重中之重, 人们就此展开广泛的研究和探索.
目前常用的方法是对石墨烯进行功能化处理[15]. 主要的功能化方法可分为2大类：共价键功能化和非共价键功能化. 前者是基于共价键对石墨烯的边沿或缺陷处进行化学修饰, 这些部位往往具有较高的反应活性, 是共价键功能化的切入点[16]. 制备过程通常是利用酸化处理使石墨烯带有亲水性的含氧基团, 通过与含氧基团反应还能引入新的官能团或分子链, 从而进一步地对石墨烯进行功能化. 例如, Yang 等 人[17]即利用一种含有端氨基的离子溶液在没有任何表面活性剂存在的条件下, 对氧化石墨烯进行共价键功能化, 使其能够在水, N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)等溶剂中分散. Wang 等人[18]以苯乙烯磺酸钠(PSS)对氧化石墨烯进行共价键功能化, 经过水合肼蒸气还原后, 可得到水溶性的GNs-PSS; 借助十八胺(ODA)与氧化石墨烯的共价键反应, 并以对苯二酚回流还原后得到亲有机溶剂的GNs-ODA. 而非共价键功能化法则主要是基于分子间的相互作用力或离子键作用力, 引入修饰分子或离子以赋予石墨烯在溶剂中稳定分散的能力. 例如, Park 等人[19]通过利用强碱氢氧化钾与氧化石墨烯上的羧基、环氧基等含氧基团反应, 使石墨烯周围形成负离子层, 从而可以在水中稳定分散至少4个月. 在利用共价键功能法时常常会破坏石墨烯自身的结构,
即便经过氧化还原或热处理, 依然还会有外来基团的残存, 影响了石墨烯的性能. 而基于分子间作用力的非共价键功能化法通常不会破坏石墨烯的分子结构, 可以使石墨烯的优异性能得到最大程度的保留. Xu 等人[20]依靠芘的衍生物与石墨烯间的π-π键相互作用, 对还原后的石墨烯进行非共价键功能化, 使其能够稳定分散于水中, 得到的功能化石墨烯(FGs)的导电率比氧化石墨烯的导电率大7个数量级.
对石墨烯功能化不仅能提升石墨烯的分散性, 甚至还能赋予石墨烯以新的性能, 为扩展其应用领域提供了新的契机. 本文综述了近3年来FGs 在光电材料、传感和探测器、储能材料、催化、纳米增强及其他一些领域内的应用研究进展, 并对FGs 未来的研究趋向进行了展望.
2 石墨烯的功能化在各领域中的应用研究
2.1 光电材料领域
传统的透明光电薄膜材料(如氧化铟锡, ITO)相对易碎, 耐酸性差, 制备工艺复杂, 并且随着稀有金属元素的资源开采价格已逐渐昂贵[21]. 石墨烯优异的导电性、柔韧性和化学稳定性, 单原子层结构赋予的高透光度, 以及伴随着大规模生产工艺的成熟展现出的低廉价格优势[22, 23], 都使其在新型光电材料领域中的研究不断取得突破. 目前FGs 的应用研究方向主要集中于太阳能电池和非线性光学材料两方面. 功能化法不仅解决了石墨烯的溶解和分散问题, 在引入非线性光学材料后还能赋予石墨烯以特殊的光电性能.
2.1.1 太阳能光伏电池
FGs 在太阳能光伏电池中可应用于有机光伏(OPV)电池和染料敏化电池(DSSCs). 在OPV 电池中通常应用为透明电极和异质结(BNJ)活性层; 而在DSSCs 中则常被用于窗口电极和极板.
Wu 等人[24]以Hummers 法制得了带有含氧基团(羟基、羧基、环氧基等)的FGs, 这些官能团具有亲水性, 使FGs 易溶于水溶液. 随后以旋涂法将FGs 溶液均匀涂覆于石英基板上, 分别经过热还原和化学还原后得到了透明导电薄膜, 薄膜的厚度小于20 nm, 透明度大于80%. 将其用作OPV 电池电极, 测得的短路电流(J SC )及填充因子(FF)相对于传统光电材料ITO
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还有一定差距, 研究分析认为这是由于此种FGs 电阻率过大而影响了OPV 电池的性能. Wang 等人[25]也用类似的方法得到FGs, 经过热还原后用作DSSCs 的窗口电极, 这种透明电极的电导率可高达550 S/cm, 相对于ITO 和氧化氟锡(FTO), 其在1000~3000 nm 的波长范围内透光性更稳定, 但能量转化效率(PCE)还是较低, 分析原因为FGs 电极与活性层间的界面导电性较差所导致的.
Hummers 法得到的FGs 属于共价键法功能化, 使石墨烯拥有亲水性的同时往往降低了导电性, 同时与其他组分的相容性也并不理想. 为解决这一问题, 人们又探索了利用非共价键实现功能化. Wang 等人[26]利用化学气相沉淀法制备出石墨烯, 并借助芘的衍生物(PBASE)与石墨烯间的π-π键相互作用, 对石墨烯进行非共价键功能化, 得到OPV 电池的阳极(图2(a)). 由于没有破坏石墨烯的共轭结构, FGs 电极的导电性很好, 同时PBASE 的亲水性有助于电极与聚3, 4-乙撑二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸钠缓冲层(PEDOT: PSS)界面间的浸润, 这有利于空穴的注入, 另外PBASE 的引入还将石墨烯的功函数由 4.2 eV 提高到了4.7 eV. 在AM1.5, 100 mW/cm 2的光照条件下, OPV 电池的PCE 可达到1.7%. Hong 等人[27]用另一种芘的衍生物(PB ?)功能化了石墨烯, 并在室温下用旋涂法将FGs/PEDOT: PSS 涂覆于ITO 上作为DSSCs 的极板. 这种复合膜极板在可见光波长区域透明度高于80%, 并且在FGs 含量仅为1%时PCE 便高达4.5%, 这已与铂极板的PCE(6.3%)非常接近了.
FGs 在太阳能光伏电池中除了可以应用为透明电极外, 还可以应用为本体BHJ 活性层, 石墨烯在其中作为受体材料. Liu 等人[28]用异氰酸苯酯对氧化石墨烯进行共价键功能化, 使其能够与聚3-己基噻吩(P3HT)共溶于1, 2-二氯代苯(DCB)中, 然后将其制备为BHJ 活性层应用于OPV 电池中(图2(b)), J SC 达到
图2 (a)基于FGs 电极的OPV 电池结构示意图[26]; (b) 基于
FGs 异质结活性层的OPV 电池结构示意图[28]
4.0 mAcm ?2, 开路电压(V oc )达到0.72 V, 在AM1.5, 100 mW/cm 2的光照条件下, PCE 为1.1%.
2.1.2 非线性光学材料
碳纳米管与非线性光学材料复合后的性能改 进[29, 30]给了人们以启示——非线性材料通过共价键或非共价键相联合可能会比单独使用或简单物理共混时拥有更好的非线性光学性能, 并且已有的研究显示氧化石墨烯具有非线性光学特性[31], 因而对石墨烯功能化制备非线性光电材料的研究也随即展开.
Liu 等人[32]分别用氨基-卟啉和吡咯烷-富勒烯对石墨烯进行共价键功能化, 在532 nm 波长段处用Z -扫描法对这2种杂化材料进行纳秒级的非线性性能表征, 结果显示利用具有反饱和吸收特性的卟啉和富勒烯对石墨烯进行功能化后, 能够在纳秒级和皮秒级量程内提高石墨烯的非线性光学特性. 在石墨烯与卟啉和富勒烯之间存在光致电子的转移和能量的传递, 这种共价键连接产生的性能要优于三者分别单独使用时的性能. Liu 等人[33]通过亚氨基将寡聚噻吩与氧化石墨烯连接得到FGs(图3). 通过紫外可见光光谱和荧光发射光谱可以看出, 这种供体受体结构增强了材料在整个光谱范围内的吸收以及光致发光的淬灭. 用在523 nm 波长段的开孔Z -扫描方法测试, 显示出这种寡聚噻吩功能化的石墨烯具有很好的光限幅特性, 性能优于被广泛研究的光限幅材料富勒烯.
2.2 传感和探测器领域
石墨烯对于探测和传感器是绝对完美的材料, 它拥有碳纳米管绝大部分的优点, 例如其电化学活
图3 寡聚噻吩功能化石墨烯的结构示意图[33]
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性点是纳米级均匀分布的, 同时并不会像碳纳米管那样很难避免残留有金属杂质(这些缺陷通常会影响传感和探测的效果).
FGs 在传感和探测器的应用中, 最为常见的是经过酸化处理带有含氧基团的氧化石墨烯, 根据质子偶合电子转移机理石墨烯上的含氧基团能够增强电子转移[34], 另外含氧基团还有助于吸附和解吸附小分子, 因而这种简单的功能化方法有望在对有机分子、气体等小分子的探测传感中达到很好的效果. Wang 等人[35]的研究中用Hummers 和Offeman 法合成能够溶解于水的FGs, 经过还原后将其用于电极修饰. 这种石墨烯修饰的电极在抗坏血酸(AA)大量存在的环境中, 依然可以排除AA 的干扰对多巴胺进行选择性探测, 测定的线性范围为5~200 μM. 多巴胺与石墨烯之间的π堆叠能够有效的增强电子转移, 同时降低石墨烯电极上抗坏血酸的氧化.
Lu 等人[36]在氩气环境下利用低温热处理的方法对氧化石墨烯进行不完全热还原, 得到拥有少量含氧基团的FGs. 将这种FGs 分散在水中, 并使其在金电极上均匀排布, 制备成气体探测装置(图4)后对其感应性能进行测试. 结果表明热处理后的石墨烯呈现出P 型半导体特性, 并且在室温下能够对含量极低的NO 2和NH 3产生响应, 这种响应得益于FGs 与被吸附气体分子间发生的电子传递.
Ansari 等人[37]将FGs 用于温敏传感器的研究. 他们同样制备了带有含氧基团的FGs, 在溶剂DMF 中与聚偏氟乙烯(PVDF)均匀混合. 表征显示FGs-PVDF 纳米复合物具有奇特的温敏特性——复合物的电阻率与温度大小成反比. 研究分析认为这是由于石墨烯特殊的二维纳米结构, 使得接点电阻取代了遂穿电阻成为影响复合物电阻率的主导因素. 这种温敏导
图4 FGs 基的气体传感器结构示意图[36]
体材料可以被开发应用于自调节加热或过流保护等装置中.
另外通过共价键对石墨烯进行功能化, 还可以引入其他的活性基团, 继而实现对特定物质产生感应或进行探测. Xu 等人[38]利用化学修饰使石墨烯的表面存在少量带负电荷的羧基, 并在水溶液中将这种FGs 与带阳离子的5, 10, 15, 20-四(1-甲基-4-吡啶)卟啉(TMPyP)进行络合. 将FGs-TMPyP 应用于水溶液中镉离子(Cd 2+)的探测, 结果表明引入化学修饰的FGs 能够大幅度加速Cd 2+掺入到卟啉环, TMPyP 与Cd 2+的配位反应时间可达到8 min, 而未引入FGs 时则需要20 h.
Shan 等人[39]在碱性溶液中用生物可适性的聚-L-赖氨酸(PLL)对石墨烯进行功能化, PLL 上的氨基和石墨烯上的环氧基可以进行共价键反应, 得到的FGs 也因此具有了水溶性和生物可适性. 利用PLL-FGs 上存在大量的氨基对其进一步的功能化, 接上生物活性分子-过氧化物酶, 便可用于对H 2O 2的生物传感. 通过CV 曲线图可以看出引入FGs 后, 装置的电流减小幅度比未引入FGs 的幅度要大, 这得益于FGs 为电极提供更多的氨基以捕获过氧化物酶.
Wang 等人[40]将葡萄糖氧化酶功能化的石墨烯应用于葡萄糖的探测. 制备过程中首先用氨基丙基三乙氧基硅烷修饰的玻碳电极吸附氧化石墨烯, 再以电化学法对氧化石墨烯进行还原, 通过电接枝的方法将葡萄糖酶接枝到石墨烯上进行功能化. 表征显示在葡萄糖酶和电极之间能够形成电子转移, 成功的实现了葡萄糖的探测.
2.3 储能材料领域 2.
3.1 超级电容器
分散的GNs 具有非常大的储能活性, 这源自于其高达2630 m 2/g 的理论比表面积[41], 基于这个优点石墨烯可被用于超级电容器的电极. Stoller 等人[42]对石墨烯进行化学修饰得到FGs, 将其用于EDLC 超级电容器的电极, 并对电容器的性能进行测试. 研究显示FGs 能够与多种EDLC 常用的电解质相容, 其中以水溶性氢氧化钾为电解质, 比电容可达135 F/g; 以易溶于有机溶剂的四乙胺-四氟硼酸盐为电解质, 比电容可达99 F/g. 石墨烯的高导电率还能够使电容器的电容在扫描电压增大的情况下保持稳定. Yu 等人[43]
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以乙酰亚胺(PEI)阳离子为稳定剂、水合肼为还原剂对氧化石墨烯进行还原, 得到了PEI 修饰的FGs, 这种FGs 具有良好的水溶性, 与酸化处理过的多壁碳纳米管共混后进行自组装, 得到的杂化碳膜被用于超级电容器的电极. 由于碳膜中碳材料的三维网络和纳米微孔结构可以促使离子扩散速度加快, 甚至在 1 V/s 的扫描速率下都可以得到近乎四方形的循环伏安图, 平均比容量也达到了120 F/g.
2.3.2 锂原电池和锂离子电池
碳材料在锂原电池中常作为电极材料, 例如无定型碳、酸处理石墨等[44, 45]. 将拥有纳米结构的碳纳米管应用于柔性电极材料已成为热门的研究课题[46], 但碳纳米管价格昂贵, 不能够大范围的使用, 因而拥有优良性能并具有成本优势的石墨烯便已引起人们的关注. Wang 等人[47]利用化学方法对GNs 进行功能化制得了水溶性的、结构坚固且表面平滑的纸状FGs. 将其应用于锂原电池的阴极, 放电容量可达到528 mAhg ?1, 能量密度可达到1162 Whkg ?1. 分析认为这
是由于FGs 上少量的含氧基团可以与锂离子发生反应, 有利于诱导锂离子嵌入. 目前除碳纳米管外用于锂原电池正极的碳材料主要是氧化石墨和氟化石墨[48],
但前者容易吸水, 后者在制备过程中毒性和危险性较大. 而这种FGs 则可以避免上述问题, 通过调控石墨烯上的基团还可以进一步提升其在锂原电池中的性能.
近年来对提升锂离子电池性能的研究不断取得进展, 其中有一些问题是制约人们获得突破的关键点. 例如, 锂离子迁移过慢、电极的电子传导性差、高充放电率下电极与电解液间的电阻率增大等现象[49, 50]. 为了提高锂电池的充放电效率, 人们将石墨烯引入到电极材料中. Wang 等人[51]利用阴离子活性剂对石墨烯进行功能化, 使其可以在水溶液中稳定分散, 同
时为金属氧化物如二氧化钛(TiO 2)等提供了在FGs 上进行原位结晶生长的位点, 形成线状的纳米结晶体. 经过测试显示TiO 2-FGs 特殊的纳米网络结构利于增强锂离子在TiO 2中的嵌入和脱嵌. 在高充放电率下, 比容量是单纯用TiO 2作为电极时的2倍. 在Wang 等人[52]随后的研究中又利用三元自组装法以FGs 为基本结构单元制备了规则排布的氧化锡(SnO 2)-石墨烯纳米复合物. 他们通过热膨胀氧化石墨制备了FGs,
再用阴离子表面活性剂胶束促对FGs 进行包裹从而在水中的分散(图5(a)), 通过表面活性剂与Sn 离子的反应指引SnO 2进行规整自组装(图5(b)), SnO 2结晶后
便形成SnO 2-FGs 交替层的自组装结构(图5(c)), 使用非离子嵌段聚合物活性剂时还可以形成六边形的纳米结构(图5(d)). 将这种纳米复合物薄膜用于锂离子电池的阳极, 在电流密度为0.008 A/g 时比容量稳定于760 mAh g ?1, 接近于理论容量780 mAh g ?1.
2.3.3 燃料电池
尽管在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电极的研究中已经取得了不小的进展, 但电极的催化性能和稳定性依然需要进一步的改善. 目前PEMFCs 的主流电极采用铂(Pt)或Pt/碳黑电催化剂材料制成[53], 但常常在低pH 值、高浓度氧以及高电极电势等条件下性能会有所下降, 这主要是由于碳基上的Pt 纳米粒会发生聚集或溶解等情况导致的[54]. 最近以FGs 作为碳基的研究使这一难题取得进展, Kou 等人[55]通过氧化石墨的热膨胀制得FGs, 采用浸渍法将Pt 纳米粒子负载于FGs 上. FGs 作为催化剂载体, 它带有的环氧基、羧基等基团在Pt 粒子负载的过程中起到锚泊的作用, 因而表征显示Pt 粒子可以均匀分布, 并且平均粒径只有2 nm. 同已被广泛应用的商品化催化剂相比, Pt-FGs 展现出了更大的电化学活性面积和氧化还原活性等优点
.
图5 在表面活性剂的作用下, 三元自组装法制备SnO 2-FGs 规整纳米复合材料的过程示意图[52]
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2.4 催化领域
近年来作为纳米催化剂的载体, 石墨烯不仅在燃料电池领域中被视为研究热点, 在其他催化相关领域的探索也十分活跃. 催化剂/FGs 拥有高比表面积和高比例的表面原子数, 使得其与传统材料相比具有更高的催化活性[56]. 石墨烯的功能化不仅可以解决在催化体系制备过程中的溶解性问题, 还提供了能诱导催化剂负载或嵌入的功能团, 甚至直接以共价键或非共价键使催化剂与石墨烯复合.
Scheuermann 等人[57]利用FGs 上存在的含氧基团吸引钯(Pd)纳米粒子催化剂嵌入, 以FGs 作为催化剂的载体, 提高催化活性. 经过多种表征证实相对于钯/活性炭的催化体系, FGs 作为载体时具有更高的活性, 交叉频率超过了39000 h ?1, 并且Pd 的浸出率也很低.
Liu 等人[58]在对氧化石墨进行还原的过程中, 用具有电活性的水溶性芳香族染料-甲烯绿(MG)对石墨烯进行非共价键功能化, 通过芳香族分子间π键的相互作用, 甲烯绿赋予了FGs 水溶性. 用浸渍法将FGs 涂覆于玻碳电极上, 测试表明, 在吸附了MG 后石墨烯对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸有不错的电催化氧化效果. 经分析, MG 和石墨烯之间的电子传递是产生这一效果的原因. Li 等人[59]也以非共价键的形式用3, 4, 9, 10-苝四羧酸(PTCA)对石墨烯进行功能化, 依靠的是PTCA 的共轭环与石墨烯间的π-π键以及氢键的相互作用. PTCA 上的羧基能够使堆叠的GNs 分离开, 同时还能成为金属纳米粒子成核的位点. 将金离子溶液(Au-IL)与得到的CCG/PTCA 混合, 金纳米粒子可以在FGs 上原位沉积(图6). 结果显示, Au 纳米粒子在FGs 上的表面覆盖率很高, 并且这种纳米复合体系具有良好的氧还原电催化活性.
2.5 石墨烯增强聚合物材料
聚合物复合材料兴起于20世纪60年代, 但直到最近十年科学家们才懂得如何制备纳米复合材料, 目前碳基纳米增强体的研究主要集中在石墨和碳纳米管等方面[60, 61]. 石墨烯兼具石墨和碳纳米管的很多优秀性能, 如高比表面积、低廉的价格以及良好的机械性能、热传导性、导电性等. 因而石墨烯被视为新的高性能纳米增强体, 可以为聚合物复合材料带来多方面的性能提升.
石墨烯的功能化不仅提高了石墨烯的分散性, 还可以增强石墨烯增强体与基体间的界面相互作用
.
图6 CCG/PTCA/Au-IL 的制备过程示意图[59]
Ramanathan 等人[62]通过对氧化石墨进行热膨胀得到FGs, 将FGs 与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚丙烯腈(PAN)复合, 表征显示FGs 上的含氧基团和褶皱的结构, 使其相对于单壁碳纳米管和膨胀石墨而言, 与聚合物基体间的界面相互作用更好. 在FGs 含量为1 wt%时, PAN 的玻璃化转变温度提升了40°C; 当FGs 含量为0.5 wt%时, PMMA 的玻璃化转变温度提升了30°C. 同时杨氏模量、极限强度、热稳定性等性能也随着FGs 的加入而得到大幅度提升, 特别是当FGs 含量仅为0.01 wt%时, PMMA 的弹性模数提高了33%.
Yang 等人[63]用硅烷偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)对氧化石墨烯进行共价键功能化, APTS 上的氨基与氧化石墨烯上的环氧基团发生反应, 使其可以溶解于水、乙醇、DMF 、DMSO 等溶剂以及APTS 中. 将这种FGs(0.1 wt%)作为增强体添加入二氧化硅基体中(图7), 由于FGs 在APTS 中能够良好的分散, 并且与二氧化硅基体发生共价键作用, 压力测试显
图7 APTS 对氧化石墨烯的共价键功能化以及FGs
掺入二氧化硅基体的过程示意图[63]
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示FGs 增强后复合物的耐压强度和韧性分别相对提升了19.9%和92%, 这种增强效果是非常显著的.
Fang 等人[64]为了得到高性能的石墨烯基纳米复合物, 通过重氮的加成反应将原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂键合到石墨烯上, 随后的ATRP 反应使聚苯乙烯(PS)链接枝于石墨烯上, PS 的接枝效率可达到82 wt%, 玻璃化转变温度相对纯的聚苯乙烯升高了15°C. 以这种方法得到的FGs 作为增强体对PS 进行增强, 表征显示引入石墨烯后复合物的机械性能得到大幅提升, 在石墨烯含量仅为0.9 wt%时, 拉伸强度和杨氏模量分别提升了70%和57%, 这样的增强效果已经与碳纳米管不相上下了.
Lee 等人[65]在丙酮溶液中以原位法制备了FGs- WPU(水溶性聚氨酯), 透射电镜显示FGs 在WPU 中均匀分散, 并起到电子传导隧道的作用, 当FGs 含量为2 wt%时电导率达到1.31×10?5 S·cm ?1, 是纯WPU 的105倍. 与简单的物理混合相比, 采用原位聚合的方法复合时, FGs 上的羟基和环氧基可与单体发生反应, 石墨烯与聚合物基体间的相互作用更强, 表征显示FGs 的引入可以增强WPU 软段的结晶行为, 模量相对机械共混法得到很大程度的提高.
2.6 在其他领域中的应用
除了上述领域, 目前的文献报道显示FGs 的应用研究已开始涉足到另外一些新的领域.
由于石墨烯非凡的电学特征以及泡利阻塞原理, 单原子层石墨烯拥有非波长依赖型的超快速饱和吸收, 这使得FGs 在超快速光子器件中有很大的应用空间. Zhang 等人[66]便将FGs 应用于锁模光纤激光器中, 他们以芘的衍生物对氧化石墨烯片进行非共价键功能化, 再与PVDF 共溶于有机溶剂, 共混溶液经过处理后通过电纺制备出FGs-PVDF 复合膜. 将这种复合膜应用为锁模掺铒光纤激光器的饱和吸收体(图8), 在波长为1590 nm 处的测试显示, 从激光中可获得脉冲能量为3 nJ 、脉冲宽度为700 fs 的稳定锁模孤子脉冲, 并且发现FGs 复合材料作为锁模高能光纤激光器的饱和吸收体拥有很大的损伤阈值.
在核壳结构纳米磁体研究领域内, 获得具有表面结构化学可控的纳米磁体壳层一直是研究的热点, 为防止磁体受到腐蚀和氧化的影响而消磁, 纳米磁体的壳层应具有良好的耐酸腐蚀性和耐氧化性. Herrmann 等人[67]的研究以石墨烯作为纳米磁体壳层
,
图8 锁模高能光纤激光器结构示意图[66]
并对其进行功能化, 以实现表面结构化学可控. 他们首先用火焰喷涂法制备了石墨烯为壳层的纳米磁体, 再以硝基苯重盐对石墨烯壳层进行处理, 并用苯胺衍生物对其进行功能化, 使得石墨烯上带有丰富的氨基, 从而可以与多种分子链实现进一步的共价键功能化. 所得的纳米磁体具有强抗酸溶蚀性, 并可在高温环境下保持热稳定. FGs 的壳层还使纳米磁性粒子的水处理得以实现, 提取工艺也变得更简便, 调节FGs 表面的功能团可使纳米磁体具有生物可溶性, 使其在生物领域的应用更为广泛.
FGs 在电磁屏蔽方面也有应用, FGs 有机复合材料相对于传统的金属电磁屏蔽材料拥有耐腐蚀、柔韧性好、轻便、加工工艺简单等优势. Liang 等人[68]以水合肼对氧化石墨烯进行部分还原得到FGs, 溶于丙酮溶液后加入环氧树脂和固化剂, 以原位复合法制备出FGs/环氧树脂复合物. 应用于电磁屏蔽后, 测得这种复合物的渗阈值只有0.52 vol%; 在频率为8.2~12.4 GHz(X 波段)的范围内测试复合物的电磁屏蔽效率, 当FGs 的含量为15 wt%时, 电磁屏蔽效率可达到21 dB. 研究表明这种FGs 基的复合材料是一种非常有效的电磁屏蔽材料.
3 结语及展望
综上所述, 尽管自稳定存在的单层石墨烯发现以来只经历了短短几年的时间, 但关于石墨烯的研究不断取得令人振奋的进展, 特别是对石墨烯功能化的研究极大的扩展了石墨烯的应用范围, 各种新的FGs 也展现出许多独特的物理化学性质, 未来势必会引来人们更多的关注.
但是实际上石墨烯功能化的方法和应用研究依
吕鹏等: 功能化石墨烯的应用研究新进展
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然处于起步阶段, 对石墨烯功能化的化学结构和反应机理还需要进一步的探索. FGs 在很多领域中的应用性能仍不及传统材料, 未能充分发挥出石墨烯的优异性能. 因而还需要继续开发和完善石墨烯功能化的方法和理论.
在光电材料领域中, 非共价键功能化法相对共价键功能化法对石墨烯结构和性能的破坏更小, 但得到的电导率和PCE 相对碳纳米管和传统光电材料还存在差距, 今后的研究方向会尽可能除去FGs 上不必要的官能团, 另外在石墨烯边缘区域进行功能化有利于提高FGs 的电学性能, 利用自组装等方法可以调控FGs 与其他材料的复合界面. 在传感与探测领域, 目前的研究只是个开始, 相对于对石墨烯物理性能研究的进展, 对石墨烯化学修饰的研究还有太多地方未被探索, 随着功能化方法的改进和更多具有传感和探测功能的分子或官能团的引进, 更多高性能的FGs 传感探测方面的研究将会不断涌现. 在储能材料领域内, 利用自组装法对FGs 复合体系的结构和尺寸进行调控, 以得到带有纳米空穴的网络结构, 这有利于离子的传导扩散, 虽然目前已有此类研究, 但扩
展到与其他材料自组装复合将会获得更多进展; 另一方面, 在功能化过程中通过赋予石墨烯表面以特定的活性基团, 将起到诱导离子、增强储能效率的作用. 在催化领域中, 催化剂与作为载体的FGs 之间的结构与催化活性的关系需要进一步的研究探讨, 近来关于FGs 纳米微孔离子选择性通过的研究[69]和单层氧化石墨烯Langmuir-Blodget 组装的研究[70]给予了我们新的启示, 未来制备拥有分层可控结构的高活性FGs 纳米复合催化剂将成为研究热点. 在纳米增强体领域中, 目前FGs 主要的是以小尺寸形式分散于聚合物基体中的, 其优势在于即能增强分散性又能减小引入自由体积的可能, 并且还能降低了复合体系的粘度, 更易于成型加工, 未来的功能化研究如果能够解决大尺寸石墨烯在基体中分散以及界面调控的问题, 将会给复合物的电学性能和机械性能带来更大的提高.
挑战与机遇并存, 关于FGs 新的研究成果依然在不断地被报道出来, 相信不久的将来, 石墨烯的功能化会推动这一新材料在更广泛的领域内得到应用, 性能也将更卓越, 工艺也将更简便.
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有机功能化石墨烯的制备及其应用
有机功能化石墨烯的制备及其应用 张丽园1，2 ，姚 远 2 （1.蚌埠学院应用化学与环境工程系，安徽蚌埠233000； 2.合肥工业大学化工学院，合肥230009） 摘要：石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料，其所具有的单原子层结构使它拥有许多新奇的特性，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、化学等学科领域的研究热点。然而由于石墨烯易于团聚堆积成石墨，不能均匀的分散在基体中，这很大程度上限制了它的应用。为了将石墨烯与其它物质有效复合，充分发挥其在电子学、生物医学、催化、传感器、储能等领域的优良特性，对其进行功能化改性是有效的方法之一。着重介绍了石墨烯有机功能化制备方法及其应用的最新研究进展，并对石墨烯的功能化发展方向进行了展望。 关键词：石墨烯；氧化石墨；有机功能化；表面改性 中图分类号：O6－1文献标志码：A 文章编号：1671－380X （2012）08－0016－05Preparation and Application of Organo －Functionalized Graphene ZHANG Li －yuan 1，2 ，YAO Yuan 2 （1.Department of Chemistry and Environmental Engineering ，Bengbu College ，Bengbu 233000，China ； 2.School of Chemical Engineering Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ） Abstract ：Graphene is a novel two －dimensional nanomaterial with a flat monolayer of carbon atoms structure ，which has contributed to its unique features.Since it had been discovered in 2004，the graphene has attracted a great deal of attention worldwide in the sciences ，and became the focus of the researches all over the world.How-ever ，the structure of the graphene has lots of limitations in the applications in compounding with other materials ，and restricted its wide usage.To materialize the prospect applications as much as possible in the field of electron-ics ，biomedicine ，catalysis ，sensors ，energy storage etc.The key is to ograno －functionalized graphene in a con-trolled way.This paper emphasized on some common preparations and the applications of organo －functionalized graphene.Besides ，the developing trend of organo －functionalizing of graphene was forecasted.Key words ：Graphene ；Graphene Oxide ；Organic Functionalize ；Surface Modification 1 引言 石墨烯是一种新型的具有单原子层结构的二维 平面纳米材料，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、 化学等学科领域的研究热点［1］ 。其独特的二维蜂窝状晶格结构，使其拥有许多新奇的特性，如：较高的杨氏模量（ 1100GPa ）、载流子迁移率（2?105cm 2/（V ·s ））、热导率（ 5000J /（m ·K ·s ））和比表面积（理论值2630m 2/g ），还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等 现象 ［2］ ，这些特性使得石墨烯在纳米电子学、纳 米复合物、氢气超级电容器等领域有着广泛潜在的 应用［3］ ；其特有的单原子层结构和较大的表面积 的特性还可使其在生物医学方面得到应用［4］ 。然而理想石墨烯易团聚堆积成石墨形态，并不利于与 其它物质进行复合，使其的应用受到了大幅限制。为了解决这个问题，石墨烯的有机功能化改性是非常有效的方法，极大地拓展了石墨烯的应用领域。基于材料化学的角度，对石墨烯的表面有机改性及其应用等方面进行简要的综述。 · 61·第34卷第8期2012年8月宜春学院学报 Journal of Yichun College Vol.34，No.8Aug.2012 * 收稿日期：2012－05－31 基金项目：安徽省高等学校自然科学基金（KJ2009B212Z ）。 作者简介：张丽园（1980－），男，安徽凤阳人，博士生，主要从事绿色化学和材料学研究。
对石墨烯产业化现状和未来趋势的认识
对石墨烯产业化现状和未来趋势的认识 ■ 文/姚 磊 北京碳世纪科技有限公司 近几年，石墨烯学术和产业界的许多专家学者已经针对石墨烯卓越的特性及广阔的应用前景，进行了细致、精彩的研究和解读。在此，笔者仅就北京碳世纪科技有限公司（以下简称“碳世纪”）在石墨烯产业化进程中遇到的机会和挑战进行分析。碳世纪主要采用化学法制备石墨烯，笔者本文所谈对石墨烯的认识和理解，也是基于化学法制备的石墨烯而言。另外，笔者在此声明，碳世纪有其特殊性，所遇到的问题不一定具备普遍性。 一、对石墨烯产业化的认识 1.现阶段石墨烯产业化需要的人才 自2004年石墨烯被发现到现在，科学界和产业界对这一新材料的研究已有近10年时间，但石墨烯产业真正的爆发是在近几年，特别是2010年石墨烯发明者获得诺贝尔奖以后。目前，在石墨烯领域还有大量相关工作需要突破，但同时也有大量应用研究成果随之而出，初步具备了产业化的可能性。 现阶段，在技术研发方面需要一 批具备“科学家的头脑、工程师的双 手”、既对石墨烯的性质有着深刻认 识，又对下游应用产品有着良好感觉 的人来完成开创期最关键、最艰难的 几步。 与此同时，产业还需要一些非技 术人员配合技术团队工作。目前，石墨 烯企业还没有发展到靠优厚的薪资来 吸引高素质管理人才加盟的程度。此 时，石墨烯行业的非技术团队更需要 一群乐观、对未来充满希望、不安于现 状、愿意为明天赌一把的人来支撑。 2.石墨烯的界定问题 石墨烯毕竟是微观世界中的纳 米材料。目前，业界还没有一个统一的 标准来界定什么是“石墨烯”。而且，估 计在很长一段时期内这样的标准也难 以出台。科研领域，讲究的是严谨和准 确；产业领域，讲究的是效率和结果。 如何抚平科学和技术之间的鸿 沟？现阶段，不必过多争论什么是石 墨烯。当下的重点工作是在保证能大 规模制备出高质量石墨烯的前提下， 将精力更多地向应用开发倾斜。石墨 烯具备能够很好促进其他材料提升性 能的纳米结构，可以在不破坏材料原 有基础性能的前提下，极大程度提升 该材料某些特殊性能。这一过程，主要 是通过对石墨烯和其他材料复合的方 式及对石墨烯片径的控制来实现。 “要做有用的石墨烯，而不是纯粹 的石墨烯。”化学法制备的石墨烯具备 上述特质。 3.石墨烯产业化过程中遇到的问题 目前，碳世纪已经有3款石墨烯 应用产品走出了实验室，开始进入示 范生产阶段。这3款产品分别是石墨 烯改性超级电容器用储能活性碳、石 墨烯改性高密度聚乙烯（H D P E），以 及一款目前还属保密阶段的产品。现 仅就石墨烯改性超级电容器用活性碳 为例，谈谈碳世纪对石墨烯应用的认 识和在产业化过程中遇到的问题。 活性炭是超级电容器电级材料的 主要组成部分。目前，应用在储能方面 新材料产业NO.11 201429
石墨烯技术产业发展现状与趋势
摘要：2013年1月，石墨烯入选欧盟两项“未来和新兴技术旗舰项目”之一（另一项为“人类大脑工程”），欧盟委员会计划在未来十年投入10亿欧元开展石墨烯应用技术研发与产业化，再一次激起了各界对这一革命性材料的关注。 关键字：石墨烯;态势;趋势;技术转移;石墨烯;态势;趋势;技术转移;石墨烯;技术转化;产业化 石墨烯（Graphene）又称单层墨，是一种新型的二维纳米材料，也是目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米材料。因其特殊纳米结构和优异的物理化学性能，石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。英国两位科学家因发现从石墨中有效分离石墨烯的方法而获得2010年诺贝尔奖，引起了科学界和产业界的高度关注，石墨烯相关专利开始呈现爆发式增长（2010年353件，2012年达1829件）。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术研发作为长期战略予以重点关注，美国、欧盟各国和日本等国家相继开展了大量石墨烯研发计划和项目。总体看来，石墨烯技术开始进入快速成长期，并迅速向技术成熟期跨越。全球石墨烯技术研发布局竞争日趋激烈，各国的技术优势正在逐步形成，但总体竞争格局还未完全形成。具体发展态势如下： 态势一：制备与改性的突破为产业化提供了技术支撑 一方面，石墨烯制备技术取得突破。石墨烯制备技术与设备是石墨烯生产的基础。一直以来，石墨烯大规模制备技术是阻碍其产业化的最重要因素。近来，石墨烯制备技术取得了若干突破，目前已形成自上而下（Top-Down）和自下而上（Bottom-Up）两种途径，开发出了从简易低成本制造到大面积量产工艺的多种方法，包括：机械剥离、氧化还原法、化学气象沉积（CVD）、外延生长、有机合成、液相剥离等。这些方法各有优缺点，需要根据不同的需求进行选择（表1）。其中，氧化还原法因成本低且易实现，有望成为最具发展前景的制备方法之一。同时，各种方法
石墨烯改性
综合实践论文 题目：石墨烯改性研究进展 班级：高分子112 姓名：陈阳建 指导老师：祖立武 日期：2014年6月20日
石墨烯改性研究进展 陈阳建 齐齐哈尔大学材料学院，黑龙江齐齐哈尔10221 摘要: 结合当前国内外石墨烯改性的研究进展，分别从表面改性和电子性能改性两个方面介绍了石墨烯的改性方法。其中，石墨烯表面改性包括共价键功能化和非共价键功能化；石墨烯电子性能改性包括掺杂和离子轰击。讨论了各种改性方法的优缺点，并在原有改性方法的基础上，展望了未来石墨烯改性的发展方向。关键词: 石墨烯；改性；综述；共价键功能化；非共价键功能化；掺杂；离子轰击 Research progress in the modification of graphene Chen yangjian Materials Science,Qiqihar University ,Qiqihar in Heilongjiang 10221 Abstract: Based on the research progress of modification of graphene material at hom e and abroad, the methods of modification of graphene are introduced from the surfac e modification and the electronic properties modification, respectively. The methods o f surface modification contain the covalent functionalization and non-covalent functio nalization; the methods of electronic properties modification contain dopin g and ion b ombardment. Finally, the advantages and disadvantages of various modification met h ods are discussed, and the further development of modification of graphene is pointed out on the basis of original modification methods. Key words: graphene; modification; review; covalent functionalization; non-covalent functionalization; doping; ion bombardment
2018年石墨烯产业发展现状分析报告
２０１８年石墨烯产业发展现状分析报告
目录 一 产业概况 （一）产业规模 （二）产业链分析 １． 产业链上游 ２． 产业链中游 ３． 产业链下游 （三）石墨烯产业区域分布 １． 石墨烯产业全球分布 ２． 我国石墨烯产业区域分布 （四）国内外重点企业动态 二 产业技术进展 （一）国外技术进展 （二）国内技术进展 三 产业发展问题及对策建议 （一）石墨烯产业发展存在的问题 （二）政策建议 图表目录 表１ 石墨烯制备方法 表２ 石墨烯应用产品及相关企业 表３ 我国石墨烯主要产区企业分布 表４ 国内主要石墨烯企业动态 表５ 各国石墨烯技术动态 表６ 我国石墨烯技术动态 图１ ２０１１－２０１７年我国石墨烯企业增长情况 图２ 石墨烯技术专利申请数量的年度分析 图３ 我国受理的石墨烯专利公开数量年度变化趋势图４ 全球石墨烯专利受理地区及机构分析 图５ 我国新注册石墨烯企业地区分布
摘 要：一石墨烯作为最受关注的新材料，２０１７年产业化进程不断加快，但受制于制备技术工艺不成熟二应用市场缺少实质性产 品，石墨烯突破产业化瓶颈尚需时日三与此同时，我国石墨 烯产业在发展过程中逐渐显现出同质化发展的苗头三未来， 需要进一步优化石墨烯产业市场环境，加强政策支撑二服务 支撑二产业支撑，提高石墨烯市场集中度和产业竞争力，以 推动石墨烯产业持续健康发展三 一 产业概况 总体来看，２０１７年石墨烯产业延续了近几年火热的势头，依然是社会关注度最高的新材料，产业规模不断扩大呈爆发式增长势头，技术专利数量快速增长，正在接近实现产业化三但是，从产业生命周期的角度看，石墨烯产业仍处在导入期：大量企业进入二中小企业为主二中上游产业发展速度相对较快二产业下游缺乏具有实质性应用产品，石墨烯产业化道路任重而道远三
石墨烯的应用领域
第二章石墨烯应用领域 石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。具体在五个应用领域：一是储能领域。石墨烯可用于制造超级电容器、超级锂电池等。二是光电器件领域。石墨烯可用于制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏、电子纸等。三是材料领域。石墨烯可作为新的添加剂，用于制造新型涂料以及制作防静电材料。四是生物医药领域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于药物载体、生物诊断、荧光成像、生物监测等。五是散热领域。石墨烯散热薄膜可广泛应用于超薄大功耗电子产品，比如当前全球热销的智能手机、IPAD 电脑、半导体照明和液晶电视等。 中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。目前，全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2500吨半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g ，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持了20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500吨的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。
正是在这一背景下，目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，具体应用如下： 2.1 石墨烯锂离子电池 锂离子电池具有容量大、循环寿命长、无记忆性等优点，目前已成为全球消费类电子产品的首选电池以及新能源汽车的主流电池。高能量密度、快速充电是锂电池产品发展的必然趋势，在正极材料中添加导电剂是一种有效改善锂电性能的途径，可大大增加正负极的导电性能、提高电池体积能量密度、降低电阻，增加锂离子脱嵌及嵌入速度，显著提升电池的倍率充放电等性能，提高电动车的快充性能。 所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作，而是在电池的电
功能化石墨烯的生物医药应用研究
功能化石墨烯的生物医药应用研究 张海燕1, 2，邬伟魁1，杨明1, 3* 1. 江西中医学院现代中药制剂教育部重点实验室，江西南昌 330004 2. 西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，四川成都 610003 3. 成都中医药大学，四川成都 611137 摘要：从2004年被发现至今，石墨烯这种特殊的纳米材料的研究和应用备受关注。石墨烯的功能化是其进一步加工以充分发挥其优良性质的基础。石墨烯的生物医药应用还处在探索阶段，如何根据实际需求对功能化石墨烯进行生物相容性、药物载体、生物检测等研究是极富挑战的工作。重点阐述了石墨烯在生物医药领域应用的最新研究进展，并对其发展作了展望。关键词：石墨烯；功能化；生物医药；纳米材料；药物载体 中图分类号：R283 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2011)06 - 1235 - 04 Application of functionalized graphene materials in biomedicine ZHANG Hai-yan1, 2, WU Wei-kui1, YANG Ming1, 3 1. Key Laboratory of Modern Preparation of Traditional Chinese Medicine, Ministry of Education, Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004, China 2. Key Laboratory of Advanced Technology of Materials, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610003, China 3. Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 611137, China Key words: graphene; functionalization; biomedicine; nanomaterials; drug carrier 2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯（graphene）。由于他们在二维石墨烯材料的开创性研究，共同获得2010年度诺贝尔物理学奖。石墨烯为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管（carbon nanotubes）是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构。石墨烯的研究受碳纳米管相关研究的启发，其发展历程与碳纳米管相似。在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构主要有3种：石墨（graphite）、金刚石（diamond）和富勒烯（fullerene）。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命[1]。 纳米医药是使用纳米结构的物质来诊断和治疗疾病的科学。人们常选择特殊给药途径（如口服、脉管或瘤内给药），将纳米物质安全有效地传递到靶器官发挥其应有的作用。作为药物载体、基因载体和显像剂，纳米物质可以和受损组织或瘤生长部位结合，这在未来医药领域具有较大的潜力[2-3]。石墨烯的化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质的相互作用较弱，难溶于水及常用的有机溶剂。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的重要手段。由于分子表面具有很多亲水性官能团，且表面积较大，石墨烯氧化物（graphene oxide，GO）可以极细小的颗粒悬浮于水溶液或生理环境体系，或应用于注射剂的研究。GO在水中具有较好的溶解性，但其还原产物容易发生聚集，并且很难再次分散；功能化GO可有效增强其稳定性。虽然困难重重，近年来，石墨烯的生物医药应用还是取得了一定的进展，为今后的研究奠定了基础。本文重点阐述了石墨烯在生物医药领域应用的最新研究进 收稿日期：2011-01-12 基金项目：中医药行业科研专项资助项目（200708006）；新药创制重大专项资助项目（2009ZX09103-393）；中药新型给药系统技术平台“十一五”重大新药创制项目（2009ZX09310-005） 作者简介：张海燕（1980—），女，河北承德人，讲师，在读博士研究生，从事中药新辅料、新工艺、医用材料研究。 Tel: (0791)7119010 E-mail: haiyansl@https://www.sodocs.net/doc/db13873415.html, *通讯作者杨明 Tel: (0791)7118658 E-mail: yangming16@https://www.sodocs.net/doc/db13873415.html,
石墨烯磺酸功能化实验方案
实验方案备注 （1）4-磺酸基-氟硼酸重氮苯的合成 S1：称取17.3g4-磺胺酸（0.1 mol）固体溶于100ml蒸 馏水中后 S2: 将31.8 mL氟硼酸水溶液 (40 wt %, 0.2mol) 缓缓逐 滴加入磺胺酸水溶液中。将混合溶液冷却至0℃。 S3：维持恒温5℃，将7.0 g亚硝酸钠（100mmol）溶于 蒸馏水中，缓缓加入上步所得溶液中。添加完成，持 续搅拌2h。 S4：抽滤收集白色沉淀，再用乙醚洗涤数次。将白色 沉淀冷冻干燥和储存。 时间：2.5h （2）GP-SO3H（DS=1.21）的合成 S1：称取0.6g石墨烯粉末（GO，约0.05mol）,其分散于500mL蒸馏水中. 使用5 wt %的碳酸钠水溶液调节其PH值至9左右。(5.26gNa2CO3,溶于100ml水中) S2：将调整过得溶液进行轻微的超声处理30min。将GO溶液用离心机分离30min以移除未反应的石墨，转速为2000rpm。 S3：称量3.9g硼氢化钠（0.1 mmol）溶于10mL蒸馏水中，将其加入GO的水溶液中，在70℃下反应1h。抽滤，使用蒸馏水洗涤直至其PH值达到7。 S4：将部分还原的GO重新分散到500mL的蒸馏水中，使用轻微声波震荡30min。使用冰浴将其冷却至室温。 S5：称取0.68 g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯，溶于10mL蒸馏水中，将其缓缓逐滴加入S4得到的溶液中，在室温下搅拌6h。反应溶液使用声波处理10min称量+30min 分散+1h预还原+2h 抽滤+30min分散+12h偶合+2h抽滤+完全还原24h
30min。再称取0.68g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯重复上述步骤。 S6：反应完成后，使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH 值至10以上，伴随添加有沉淀生成。将沉淀过滤出，并用蒸馏水（水）和乙醇洗涤，即可得到GO-SO3H。S7：将GO-SO3H 重新分散在500mL的蒸馏水中，再加入水合肼(5060%, 32 mL)，在 120℃下充分还原 24 h。这步中磺酸基的存在使得石墨烯能够很好分散在水中。再使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH值至10以上，过滤得到沉淀，用水完全洗涤，冷冻干燥得到GP-SO3H (1.19 g)。 （3）GP-SO3H纳米纸的制备 S1：将所需量的GP-SO3H分散在水中，使用超声处理。然后使用离心机（2000 rpm）去除不溶的杂质。通过带有400 nm 规格孔隙的PC膜抽滤得到数百纳米至30μm左右的，并自然风干。 S2：从过滤器上将独立的纳米纸剥离，在真空炉中在250℃下进行热处理24h。即可得到可用的GP-SO3H纳米纸。 （4）石墨烯化学键合镀层 S1：将基片预先放置在装有GP-SO3H纳米纸碎片的反应炉中。为防止硅橡胶残余的灰污染基片表面，高温硅橡胶被放置在反应炉预先设定的位置。 S2：将反应炉中抽真空，然后在30min内迅速将温度从室温升至500℃。关闭真空抽取，然后在20min内将温度再次迅速升至1000℃。 S3：管内有气体产生，反应炉内的压力会逐渐升高至大气压，将真空阀转接Ar进气口。将炉中尽快清理干
石墨烯产业实施方案
石墨烯产业实施方案
目前全球石墨烯由于研发成本高，仍未完全实现产业化。从全球 石墨烯商业化产品的发展现状来看，一方面，中国在石墨烯研发和产 品市场应用方面已经走在了世界前列；另一方面，在应用领域上，目 前市场上石墨烯应用最大的领域是复合材料和能源，其次在过滤净化 等其他领域也有少量应用。未来石墨烯还将在储能材料（锂电池、超 级电容器）、半导体、显示器件、热管理、材料学、环保、生物医学、航空航天等多个领域实现产业化，应用领域广泛，市场前景大好。 当前时期是我国以科学发展观为指导，实施新的国民经济和社会 发展规划的重要时期，也是我国经济结束WTO过渡期，加快融入国际 经济的关键时期。在这个时期，产业发展既要符合国家总体规划，满 足全面建设小康社会的要求，也要适应全球化过程中更为严峻的国际 竞争环境，不断提高竞争力，实现更快更好地发展。新的形势和任务，将对我国产业产生重要影响。 为加快区域产业结构调整和优化升级，依据国家和xx省产业发展 规划，结合区域产业xx年发展情况，制定该规划，请结合实际情况认 真贯彻执行。 第一条规划路线
深入贯彻落实科学发展观，加快转变发展方式，立足国内市场需求，以技术创新和创意设计为动力，以品牌建设为重点，延伸产业链，注重增值服务，着重提高发展质量和效益，建立产学研用相结合的产 业创新联盟，加快创新发展，加强节能减排与综合利用，打造创新化、创意化、品牌化、绿色化、信息化产业，促进产业转型升级，实现可 持续发展。 第二条原则 1、区域协同，部门联动。深入推进区域产业发展协同发展，在更 大区域范围内打造产业发展链条，形成错位发展、共同发展格局；加 强部门间的统筹协调，建立联动机制，形成合力。 2、产业联动，协同发展。统筹协调产业与关联产业联动发展，培 育关联生产性服务业，促进产业成链发展，提升产业发展水平，增强 行业发展的整体性和协调性，扩大高端产品服务供给，加快产业和产 品向价值链中高端跃升。 3、坚持创新发展。开发高效适用新技术，拓展产品应用领域，创 新行业经营模式，优化资源配置，促进融合，实现创新发展。 4、坚持融合发展。推进业态和模式创新，促进信息技术与产业深 度融合，强化产业与上下游产业跨界互动，加快产业跨越式发展。
石墨烯产业概况
石墨烯产业概况 石墨烯从组成上来看是非常普通的，就和我们写字用的铅笔、烤火用的碳一样，是一种碳材料。但是因为独特的原子排列——以六角型蜂巢结构周期性紧密排列而成的二维平面——又注定了石墨烯的不平凡，这一结构赋予了石墨烯很多出众的性能。 石墨烯是至今发现的最薄、强度最大、导电性能最好的一种新型纳米材料。比如，石墨烯的厚度仅一个碳原子层厚度，约0.335nm；他的热导率高达5300W/m·k，比铜的热导率还高上10倍以上；他的强度高达130GPa，将近钢的100倍；其在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），超过了硅材料的10倍，在锑化铟（InSb）的两倍以上，且受温度影响很小；单层石墨烯几乎完全透明，透明度达到97%以上。就是这些超群的性能，使石墨烯一度被冠以“新材料之王”、“黑金”等美誉。 石墨烯展现了在新能源、功能材料、电子信息、节能环保、生物健康、航空航天等领域的巨大应用潜力，被认为是开创超级计算机时代、改变世界的下一个万亿级产业。鉴于此，全球积极布局石墨烯产业，将其提升至战略高度，投入巨资大力研发，角力石墨烯研究领域。 石墨烯作为一种新材料与其他新材料，如纳米材料一样在应用领域的产业进程非常缓慢。但是，经过世界各地、各领域专家十余年的孜孜努力、全力攻克，还是取得了较为显著的成就。 石墨烯产业目前的细分产品主要是石墨烯粉体和石墨烯薄膜。 其中，石墨烯粉体材料制备工艺表现为类化工生产线的特点，现今已能百吨级制备石墨烯。石墨烯粉体材料以添加剂的形式提升产品性能，主要应用方向包括防腐涂料、锂电池、超级电容、导热塑料、消费电子散热片等行业。石墨烯粉体在这些领域以添加剂的形式与传统产品混合，结合石墨烯特殊的物理化学特性生产具备更多功能、更高性能的新产品。 而石墨烯薄膜，可以应用在导热膜上，发挥其优异的导热性能，用于智能手机、平板电脑等设备的散热层；或利用石墨烯的导电透光以及高度柔性，可以用来制作柔性显示屏、可穿戴设备等。石墨烯巨大的比表面积以及优异的电子传输性能，使得传感器领域成为石墨烯薄膜的一大目标市场；此外，石墨烯对硅的替代有望带来半导体领域颠覆性的革命，成为下一代集成电路、超级计算机的基础材料。 截至2020年，石墨烯已经实现较为成熟应用的方向主要有以下四个： （1）在新能源领域石墨烯粉末作为导电添加剂大幅提升电池、超级电容
石墨烯塑料的制备方法及产业化方向
石墨烯塑料的制备方法及产业化方向 石墨烯塑料的制备方法 石墨烯塑料（石墨烯改性塑料复合材料）性能的优劣与其制备过程中的加工条件是分不开的。不同的制备方法导致石墨烯在基体中的分散性、界面作用和空间结构均有所不同，而这些因素则决定了复合材料的刚度、强度、韧性和延展性等。 就目前研究所知，对于石墨烯塑料，可以通过对剪切力、温度和极性溶剂的控制来控制石墨烯的分散程度以及石墨烯片层的剥离程度。 石墨烯塑料的物理制备方法包括溶液混合法和熔融共混法，化学方法方面应用较多的有原位聚合法、乳液混合法、层层自组装技术（LbL）等。 溶液混合法 溶液混合法是将石墨烯材料（GO、RGO）在溶剂中溶解制得悬浮的单层石墨烯，使其*程度地分散在聚合物基体中。如将改性氧化石墨烯GO分散在有机溶剂中，还原得到石墨烯RGO，然后与聚合物进行溶液共混制成复合材料。溶液混合法能将石墨烯较好地分散在聚合物基体中。这种方法因其分散效果好、制备速度快以及能够很好地控制各成分的状态而得到了广泛的应用;但该方法需要使用有机溶剂，会对环境造成不良影响。 熔融共混法 熔融共混法是一种无溶剂制备方法，利用挤出机产生的剪切力克服界面作用力将填料分散在聚合物熔体中。熔融共混中由于分别制备石墨烯和聚合物，因此石墨烯的尺寸与形态可控，但是石墨烯在聚合物基体中集聚而不易分散，并且与聚合物的界面作用较差。熔融共混法是制备石墨烯塑料比较实用的方法，其工艺较为简单，可实现大规模低成本制备，但是较高的温度和局部压力会影响复合材料各成分的稳定性。 原位聚合法 原位聚合法是将石墨烯与聚合物单体混合，然后加入催化剂引发反应，*制得复合材料。通过检测发现，这种方法没有破坏复合材料的热稳定性，不过原位聚合法的反应条件难以确定，加入导热添加剂后会对聚合物产生不确定影响。
石墨烯的产业化应用实例
第4章石墨烯的产业化应用实例 石墨烯是一种神奇的材料，只要添加一点，其它材料就有可能产生神奇的效果，作为材料界革命性的“超级材料”，它几乎无所不能。自从2010年开始石墨烯透明导电薄膜和石墨烯触摸屏手机，以及添加了石墨烯材料的防腐涂料、塑料等新材料都表现出了优异的性能，引起了各界的关注。 目前在国，石墨烯粉体，石墨烯薄膜和石墨烯浆料已具备批量化生产的能力，一系列石墨烯的产业化应用也已经大规模铺开。 1、石墨烯粉体 所谓“石墨烯粉体”，实际上就是单层石墨烯和多层石墨烯的混合物。目前公众对石墨烯的理解有些混乱。一些企业或者是媒体报道中虽然号称“石墨烯”，但是事实上可能仅是石墨而已。 事实上，现在全世界对石墨烯也没有一个明确的定义。材料+微信公众号容专业，可以关注；资料显示，最初的石墨烯仅指一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。2010年诺贝尔物理学表彰的石墨烯研究指的就是这种材料。后续研究表明，从电学性质上讲，两层与三层、乃至十层的碳原子也具有各自特殊物理性质，目前10层以的说法逐渐被学术界认可。最近成立的中国石墨烯联盟标准化委员会认定，10层以的碳原子材料才属于石墨烯围。 2、石墨烯透明薄膜 而石墨烯透明薄膜是利用甲烷或者其它气体在铜箔上生长石墨烯，也就是所谓的气相沉积法，这种方法生产石墨烯更是与石墨资源毫无关系。石墨烯薄膜的生产，其实就是把气体通过一系列处理，特别是高温处理，使其生长在金属衬底上，直至在金属衬底上长满。而石墨烯本身是透明的，对于金属衬底来说，上面有没有附着石墨烯，在颜色上仅稍微有一点点差别，一般人很难看出来。但是，通过这种方法制作的石墨烯的尺寸，基本取决于金属衬底的大小，石墨烯薄膜的尺寸和技术水平关联度不大。材料+微信公众号容专业，可以关注；在商业化的环境下，探讨石墨烯薄膜的尺寸意义不大，综合经济成本才是关键性的因素。在综合经济成本当中，原料虽然可以忽略，但是生产石墨烯以及石墨烯的转移总体来说还是一个很复杂的过程，每一道工序都在无尘的环境中进行。 3、石墨烯浆料 石墨烯浆料是可以应用与真空显示屏、锂离子电池等电子器件上的导电添加
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展
论文 题目: 石墨烯复合材料的制备 及其性能研究进展学生姓名: 学号： 院（系）：化工与制药工程系专业班级： 指导教师： 职称： 201 年月
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展 摘要: 石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用，以及石墨烯复合材料的展望。 关键词:石墨烯;制备;性能;复合材料
Research Progress on Preparation and properties of graphene composite materials Abstract: Graphene has become a hot research field of material for its excellent performance and unique two-dimensional structure. This paper summarizes the method for preparing graphene and compared the advantages and disadvantages of various methods,introduces the mechanics,graphene optical,electrical and thermal properties. Composite materials based on graphene is an important research direction in the field of application of graphene,this paper introduces the preparation and application of graphene polymer composites and graphene based inorganic nano composite material,and the prospect of graphene composite materials. Key words:graphene;preparation;properties;composite materials
解读石墨烯四大应用领域
石墨烯四大应用领域全解读 石墨烯(Graphene)又称单层墨，是一种新型的二维纳米材料，是目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米材料。因其特殊纳米结构和优异的物理化学性能，石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。石墨烯相关专利开始呈现爆发式增长(2010 年353 件，2012年达1829 件)。总体看来，石墨烯技术开始进入快速成长期，并迅速向技术成熟期跨越。全球石墨烯技术研发布局竞争日趋激烈，各国的技术优势正在逐步形成。 石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈;杰姆和克斯特亚;诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。 石墨烯应用领域 中科院近期发布的一份报告指出，石墨烯的研究和产业化发展持续升温，从石墨烯专利领域分布来看，其应用技术研究布局热点包括：石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等。主要集中在如下四个领域： (一)传感器领域。 石墨烯因其独特的二维结构在传感器中有广泛的应用，具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点，能提升传感器的各项性能。主要用于气体、生物小分子、酶和DNA 电化学传感器的制作。新加坡南洋理工大学开发出了敏感度是普通传感器1000 倍的石墨烯光传感器;美国伦斯勒理工学院研制出性能远超现有商用气体传感器的廉价石墨烯海绵传感器。 (二)储能和新型显示领域。 石墨烯具有极好的电导性和透光性，作为透明导电电极材料，在触摸屏、液晶显示、储能电池等方面有很好的应用。石墨烯被认为是触摸屏制造中最有潜力替代氧化铟锡的材料，三星、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业均在此领域作了重点研发布局。美国德州大学奥斯汀分校研究人员利用KOH对石墨烯进行化学修饰重构形成多孔结构，得到的超级电容的储能密度接近铅酸电池。密歇根理工大学科学家研发出一种独特蜂巢状结构的三维石墨烯电极，光电转换效率达到7.8%，且价格低廉，有望取代铂在太阳能电池中的应用。东芝公司研发出石墨烯与银纳米线复合透明电极，并实现了大面积化。 (三)半导体材料领域。
石墨烯产业发展现状分析及未来发展建议
石墨烯产业发展现状分析及未来发展建议 一、石墨烯的发展现状 石墨烯是一种具有优异的力学、热学和电学性能的新型碳材料。石墨烯材料的研发涉及国家高新技术材料的产业基础，产业关联涉及新材料、能源、环境、航空航天、国防等领域，对国家的发展起着重要作用，因此，各国政府积极支持石墨烯研发：欧洲联盟2013年启动10亿欧元石墨烯旗舰计划；韩国和英国分别投入3.5亿美元、5000万英镑进行商业化计划；中国已将石墨烯写进《新材料产业“十三五”发展规化》中。 济宁利特纳米技术有限责任公司生产的石墨烯采用改良的HUMMERS法制备，产品测试结果如下： 厚度：0.7-4nm，粒径0.2-50μm，单层率≥99%，纯度≥99%，电导率≥200S/m，比表面积为200-1000m2/g 石墨烯原材料的规模化制备是构筑石墨烯产业链的基础，对开发下游产品有着根本性的作用，对石墨烯的产业化发展起着承上启下的作用。石墨烯行业近两年呈井喷式发展态势，企业和产品已经雨后春笋般大量出现。其中涉足石墨烯下游应用的企业逐渐增多，包括电子领域的高性能芯片、LED、柔性显示屏；能源领域的静电喷漆系统、高性能电池、超级电容器、太阳能电池；航空航天、海洋领域的防护涂料、复合材料、电磁屏蔽材料、隐型材料；环境领域的污水处理、海水淡化、大气污染治理；高强度橡胶、塑料，医药领域的药物输送、临床检测等。 截至2012年石墨烯获得诺贝尔物理学奖后已有2年时间，石墨烯规模化制备的技术瓶颈已逐渐突破，限制石墨烯行业发展的不再是石墨烯的规模性制备，而是如何让制备的石墨烯满足不同应用领域的需求，如何使石墨烯的高性能如高导电性、高导热性、高透光性在应用领域充分发挥。这是目前从事石墨烯材料的研究机构和企业共同面临一个关键性技术问题，同时也是石墨烯行业未来2-3年内需要突破的关键性瓶颈。 目前，国内各石墨烯相关企业纷纷在自身技术优势的基础上，开展石墨烯的下游应用，涉及的领域主要集中在锂离子电池、超级电容器、柔性显示屏、防护涂料、污水处理等几个方面。在这些应用领域中，水污染处理、功能性涂料、锂离子电池三方面的研究最多，也是目前石墨烯应用中较为成熟的。 （一）水污染处理 中国600多个城市都不同程度面临着水源地突发污染事件的威胁，存在水源地安全隐患。近期不断发生的重金属污染突发事件，如2005年珠江支流北江镉污染事故、2006年湖南岳阳砷污染事件、2010年福建紫金矿业重大污染事件、2011年匈牙利铝厂毒泥浆对多瑙
石墨烯产业化前景分析
新材料革命：石墨烯产业化前景 【摘要】石墨烯被誉为“万能材料”，在电子、航天军工、新能源、新材料等领域有着潜在的巨大应用空间，颇受学界、政府、资本的重视与追捧。由于石墨烯应用领域广泛，一旦实现产业化，下游应用领域已有的产业规模基础将带动石墨烯产业快速增长，全面开花。【关键词】石墨烯新材料产业链 自2004年首次从石墨中分离后，石墨烯就被誉为“万能材料”，在电子、航天军工、新能源、新材料等领域有着潜在的巨大应用空间，颇受学界、政府、资本的重视与追捧。 近期，英国将投资6000万英镑成立石墨烯工程创新中心(GEIC)。而此前，英国已投资6100万英镑创建国家石墨烯研究院。 中国对石墨烯技术的投入也不菲。2007～2012年，中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到3.30亿元，科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了5915万元和4605万元。地方政府对石墨烯产业的兴趣也日渐升温，宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地纷纷设立石墨烯产业园区。 前景：或颠覆硅时代 由于石墨烯应用领域广泛，一旦实现产业化，下游应用领域已有的产业规模基础将带动石墨烯产业快速增长，全面开花。据2012年Graphene Live会议预测：到2018年全球石墨烯规模约329亿美元，其中能源存储领域约122亿美元，柔性透明电极、柔性导线打印领域约83亿美元，散热管领域约64亿美元，太阳能薄膜领域约46亿美元，生物医药、催化剂领域约14亿美元。全产业链市场规模，未来石墨烯有望达到万亿级产能规模。 石墨烯有望打破半导体产业流传的摩尔定律，即芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。目前通用材料硅的加工极限一般为10纳米线宽，而石墨烯尺寸更小，且导电性能更好，电子迁移率更高。由于集成电路的技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一，发展石墨烯产业在国家战略层面的意义重大。 目前在石墨烯研究领域，新兴经济体与发达国家同处起跑阶段。从专利申请数量来看，中国还具有相当的科技创新优势。一旦抓住机遇，我国有望在石墨烯的产业化进程方面领先，甚至主导这场技术革命，有利于我国从制造大国转型制造强国。中国知识产权网(CNIPR)数据显示，截至2014年7月，中国有关石墨烯专利申请数量为5442，处于世界首位，是第2名美国申请数量(2196)的近2.5倍。 现状：产业化“攻坚”缓慢