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2024事业单位联考综合应用能力(C)试题与答案

一、科技文献阅读题（本题共50分）

材料

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。它具有优异的光学、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。

石墨烯的发现可以追溯到2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·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，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

从结构上看，石墨烯是由一层碳原子组成的平面薄膜，碳原子之间通过共价键相互连接，形成了稳定的六边形网格结构。这种独特的结构赋予了石墨烯许多非凡的性质。在电学方面，石墨烯具有极高的载流子迁移率，其电子迁移速度可以达到约10?m/s，是硅中电子迁移速度的数十倍。这使得石墨烯在高速电子器件领域具有巨大的应用潜力。在力学方面，石墨烯是已知强度最高的材料之一，其拉伸强度达到约130GPa，是钢铁的数百倍。同时，它还具有良好的柔韧性，可以被弯曲和折叠而不损坏。在光学方面，石墨烯具有独特的光学吸收特性，它对可见光的吸收率约为2.3%，几乎是透明的。

石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法，通过胶带反复粘贴石墨，将石墨层逐渐剥离，最终得到石墨烯。这种方法操作简单，但产量低，难以实现大规模制备。化学气相沉积法是在高温下将含碳气体分解，碳原子在基底表面沉积形成石墨烯。该方法可以制备大面积、高质量的石墨烯，但设备昂贵，工艺复杂。氧化还原法是先将石墨氧化成氧化石墨，然后通过还原反应将氧化石墨转化为石墨烯。这种方法成本较低，适合大规模生产，但制备的石墨烯质量相对较差。

在应用领域，石墨烯在电子器件方面有着广泛的应用前景。例如，它可以用于制造高性能的晶体管，提高电子器件的运行速度和性能。在能源领域，石墨烯可以作为超级电容器和锂离子电池的电极材料，提高电池的充放电速度和能量密度。在生物医学领域，石墨烯可以用于药物传递、生物传感等方面，为疾病的诊断和治疗提供新的手段。

然而，石墨烯的发展也面临着一些挑战。一方面，目前石墨烯的制备成本仍然较高，限制了其大规模应用。另一方面，石墨烯的大规模生产技术还不够成熟，难以保证产品质量的一致性。此外，石墨烯对人体健康和环境的潜在影响也需要进一步研究。

问题

1.请根据材料，简要概括石墨烯的结构特点和性质。（10分）

2.请简述石墨烯的主要制备方法及其优缺点。（15分）

3.请分析石墨烯在电子器件、能源和生物医学领域的应用前景。（15分）

4.请指出石墨烯发展面临的挑战。（10分）

答案

1.石墨烯的结构特点和性质：

结构特点：由一层碳原子组成的平面薄膜，碳原子之间通过共价键相互连接，形成稳定的六边形网格结构。

性质：

电学性质：具有极高的载流子迁移率，电子迁移速度约为10?m/s，是硅中电子迁移速度的数十倍。

力学性质：是已知强度最高的材料之一，拉伸强度约为130GPa，是钢铁的数百倍，且具有良好的柔韧性，可弯曲和折叠而不损坏。

光学性质：具有独特的光学吸收特性，对可见光的吸收率约为2.3%，几乎透明。

2.石墨烯的主要制备方法及其优缺点：

机械剥离法：

优点：操作简单。

缺点：产量低，难以实现大规模制备。

化学气相沉积法：

优点：可以制备大面积、高质量的石墨烯。

缺点：设备昂贵，工艺复杂。

氧化还原法：

优点：成本较低，适合大规模生产。

缺点：制备的石墨烯质量相对较差。

3.石墨烯在各领域的应用前景：

电子器件领域：可用于制造高性能的晶体管，提高电子器件的运行速度和性能，因其高载流子迁移率能满足高速电子器件的需求，在高速运算等方面有很大潜力。

能源领域：作为超级电容器和锂离子电池的电极材料，能提高电池的充放电速度和能量密度，有助于开发更高效的储能设备，推动电动汽车、便携式电子设备等行业的发展。

生物医学领域：可用于药物传递、生物传感等方面，为疾病的诊断和治疗提供新的手段。例如在药物传递中，利用其特殊的结构和性质可以更精准地将药物送达病变部位；在生物传感方面，可实现对生物分子的高灵敏度检测。

4.石墨烯发展面临的挑战：

成本问题：目前石墨烯的制备成本仍然较高，限制了其大规模应用。

生产技术问题：大规模生产技术还不够成熟，难以保证产品质量的一致性。

潜在影响问题：石墨烯对人