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石墨烯——静电纺丝纳米纤维材料

一、石墨烯是什么？

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳

米材料。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药

物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物

理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，

因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产

方法为化学气相沉积法（CVD）。2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳

能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能

电池（下称石墨烯OPV），破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

二、石墨烯有哪些应用？

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基

于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池

领域。

（一）基础研究

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

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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。

（二）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。

图1红外光束激发等离子体石墨烯传感器示意图

（三）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。

（四）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

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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。研究人员表示，从理论上来讲，人们可以卷起智能手机，然后像铅笔一样将其别在耳

后。

图2柔性显示屏

（五）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。

图3石墨烯基超级电容器结构与不同电压下的石墨烯理论能量密度

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