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石墨烯科普问答——写给石墨烯的围观者

发布时间:2016-08-16


前言

石墨烯是近年来的热点材料,热点话题。我室特地编写这份《石墨烯科普问答》,希望对大家有所帮助。欢迎来函、来电就石墨烯及其它相关材料技术进行交流。

——华侨大学   陈国华教授 团队


一、概念、制备与结构篇



1、什么是石墨烯?
答: 将石墨的层状结构无限剥离,直到原子级厚度,该薄层碳材料的性质与原来的石墨有极大的不同(电子运动性质发生重大变化),该薄层碳材料取名石墨烯。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,成功地从石墨中剥离出石墨烯,并表征了它的性质,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。




2、石墨烯和石墨在结构上有什么区别?
答:石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子构成的。当把石墨片层剥成单层之后,这种只有一个单原子层的石墨薄片称为单碳层石墨烯。



3、石墨烯可以分为哪几类?(提示:以层数来划分)
答:单碳层石墨烯、双碳层石墨烯、多碳层石墨烯(3-10层)。



4、单层石墨烯的厚度是多少?
答:0.335 nm,大约是头发丝的二十万分之一。



5、石墨烯主要是由什么元素组成的?
答:碳元素。



6、石墨烯和石墨最本质的区别在哪里?
答:电子性质发生了改变,因此其许多性质都不同。



7、石墨烯、碳纳米管、炭黑在结构上有什么区别?
答:微观上石墨烯为二维薄片状,碳纳米管为一维线状,炭黑为零维粒子状。



8、石墨烯与石墨的关系是什么?
答:石墨由很多层石墨烯构成;石墨一层一层剥离就变成石墨烯。




9、石墨烯最早是如何被制备、发现的?
答:利用胶带剥离法从高定向裂解石墨块中剥离得到的。




10、铅笔在纸上轻轻划过留下痕迹是否有可能含有单原子层石墨烯?
答:可能。铅笔芯材料为石墨材料,在纸上划过,将发生碳层的剥离。




11、石墨烯制备方法目前主要有哪些?
答:机械剥离法、CVD法、化学氧化还原法、插层剥离法等。




12、氧化石墨烯用Hummer法制备需要哪些化学物质?
答:浓硫酸、高锰酸钾、蒸馏水、双氧水等。



13、石墨烯利用化学氧化还原法制备有哪些优缺点?
答:优点:可以大规模制备氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、其中氧化石墨烯水溶性好、利用其可进行化学接枝改性;缺点:制备得到石墨烯缺陷大、破坏了石墨烯原有的结构、大量使用强酸和强氧化剂,易造成环境污染。



14、机械剥离法制备石墨烯有哪些优缺点?
答:优点: 易于量产、操作简单;缺点:一些参数尚不易控制。



15、CVD法制备石墨烯有哪些优缺点?
答:优点:可以制备高质量的石墨烯薄膜;缺点:量产转移等成本较高,工艺条件还需进一步完善。



16、石墨烯的表征方法目前主要有哪些?
答:可以用电子显微镜等对石墨烯的厚度,形貌等进行观察、测试,主要有:AFM、HRTEM、Raman、SEM、SEAD、XRD等



二、性能与应用篇



17、石墨烯具有哪些特殊性质?为什么成为21世纪的明星材料?
答:目前发现的结构完整的单碳层石墨烯强度很高、导电、导热性能极好,具有十分广阔的应用前景。




18、石墨烯在哪些领域具有潜在应用?
答:石墨烯具有很好的导电、导热性,强度高,比表面积大,预期在计算机芯片、电子材料、导热材料,高性能复合材料、环境处理、催化剂载体等领域具有潜在应用。




19、石墨烯耐温吗?
答:石墨烯的主要成分是碳,并且具有稳定的晶格结构,比一般高分子材料的耐热温度还高。



20、石墨烯在锂电池上的应用是什么?
答:锂电池导电添加剂,可以提高锂电池的充电速度和综合性能。



21、石墨烯与铅酸电池有何关系?
答:石墨烯有望应用于铅酸电池内的电极材料,替代原来的石墨材料,提高综合性能,等等。



22、石墨烯目前在手机上主要有哪些应用?
答:石墨烯触摸屏、电池和导热膜



23、石墨烯在塑料改性方面可以有哪些作用?
答:提高塑料的强度、模量、表面光泽性、表面硬度、改善塑料的抗静电性能、提高塑料的导热、散热性能,等等;




24、石墨烯在橡胶改性方面可以有哪些作用?
答:提高橡胶的耐磨性能、散热性能、抗静电性能等。



25、石墨烯在涂料领域可以有哪些作用?
答:利用石墨烯的导电性、阻隔性提高涂料的阻隔性能、防腐性能。可以制备电磁屏蔽涂料、抗静电涂料等。




26、石墨烯在油墨方面可以有哪些应用?
答:可以制备导电性油墨,用于导电线路印刷等。



27、石墨烯在物联网领域可以有哪些应用?
答:可以制备导电油墨,用于印刷电路如用于条码、射频识别即RFID制作等。



28、石墨烯在LED灯具领域可以有何应用?
答:利用石墨烯的高导热性能,制备散热材料,用于LED灯具散热等。




29、石墨烯在服装面料可以有哪些应用?
答:利用石墨烯电学、热学或其它功能,通过添加、植入等手段,使面料赋予相关功能。




30、石墨烯在环境保护领域可以有哪些应用?
答:利用石墨烯的高比表面特性,用于吸附水中污染物。利用石墨烯的可成膜性制备过滤材料用于水质处理。利用石墨烯制备的传感器,可以检测环境中微量物质。




31、石墨烯在汽车配件行业可以有哪些应用?
答:利用石墨烯的力学性能特性,制备高性能复合材料,用于汽车配件,也可以用于汽车轮胎。




32、石墨烯在电子行业可以有哪些应用?
答:利用石墨烯的超薄性与导电性,制备超薄导电材料,替代一些导电配件,可以降低成本,减小重量,缩小体积、提高性能等。



33、石墨烯在医疗卫生领域可以有哪些应用?
答:石墨烯可以作用各类传感器件,用于各种医疗检测等。




34、石墨烯在军工材料领域可以有哪些应用?
答:石墨烯可以制备高强度复合材料用于防弹材料;可以制备轻便高导电材料用于电磁屏蔽或吸波材料等;或制备高强度复合材料用于其它军工器械。



35、石墨烯在润滑油领域有何应用?
答:在润滑油中添加极少量的石墨烯,可以大幅度提高润滑油的综合性能。



36、石墨烯还在哪些领域可能具有潜在应用?
答:利用石墨烯的导电、导热、高强度、超薄性可以在很多领域替代传统材料,具体应该考虑其性价比等因素。




三、市场与政策篇



37、石墨烯目前的市场价格如何?
答:目前石墨烯无论是薄膜产品或粉体、分散液产品都处于有限规模的研发生产阶段,价格较高,如粉体价格在1000元/公斤左右。随着应用市场的打开,生产规模扩大,石墨烯的可以与一般纳米材料一样,价格上具有竞争力。




38目前,有哪些全国性石墨烯组织?
答:中国石墨烯产业技术创新联盟,成立于2013年7月。



39、目前,国家对石墨烯产业是否有标准制定?
答:2016年4月5日,《石墨烯材料的术语、定于及代号》国家标准(征求意见稿)在中国国家标准管理委员会官网正式公布。



40、国家对石墨烯有哪些相应政策?
答:2015年11月30日,中国工业和信息化部、国家发展改革委、科技部印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出到2020年,形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化。
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