【石墨烯的制備及其應(yīng)用研究10000字（論文）】

石墨烯的制備及其應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-3"\h\u4763引言 14412一、石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能 12289二、石墨烯的制備 320026（一）物理方法 391111機械剝離法 3298312石墨烯熱解 43217（二）化學(xué)方法 4271511氧化還原法 4200152化學(xué)氣相沉積（CVD） 591383SiC外延生長法 530326（三）其他方法 614710三、石墨烯的應(yīng)用 724317（一）光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用 73841石墨烯顯示器 711822柔性石墨烯晶體管 73966（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 7301131石墨烯傳感器 793792石墨烯抗癌材料 821068（三）儲能領(lǐng)域的應(yīng)用 8154751石墨烯超級電容 8314942石墨烯鋰硫電池 91255（四）水處理領(lǐng)域中應(yīng)用 982941海水淡化 9175862去除有機污染物 10196873去除重金屬離子 102222（五）石墨烯功能性涂料 10320271石墨烯抗靜電涂料 11311632石墨烯油墨 1117041（六）催化領(lǐng)域的應(yīng)用 111692四、結(jié)束語 133784參考文獻 14引言隨著新時代的發(fā)展，我們研究出許多新型材料。在這些材料中，2004年由物理學(xué)家Geim等人發(fā)現(xiàn)并分離的石墨烯，在人類文明中起著至關(guān)重要的作用。自2004年以來，石墨烯被認為是科技領(lǐng)域最偉大的成就之一。石墨烯因為許多不同尋常的性質(zhì)，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。石墨烯是一種非常薄的膜，由于其良好的物理性能和化學(xué)性能，在半導(dǎo)體，傳感器，電子芯片，生物醫(yī)療，國防軍工、新一代顯示器等領(lǐng)域帶來了革命性的技術(shù)變革。5G時代的到來，加快石墨烯電池行業(yè)的發(fā)展，目前石墨烯主要用作鋰電池負極做添加劑，提升電極材料的性能，可以有效降低內(nèi)阻，讓充電速度更快，實現(xiàn)快充，也可以延長電池的壽命。在芯片領(lǐng)域，中科院在做出了重大突破，在2020年石墨烯大會上展示了8英寸石墨烯單晶晶圓這一最新成果，它的性能以及尺寸都處于世界領(lǐng)先水平。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的衍生化合物被認為可以應(yīng)用在癌癥的治療上，用作腫瘤靶向發(fā)光示蹤，也能有效抑制部分癌細胞。石墨烯屬于輕質(zhì)高強材料，在航空航天領(lǐng)域可用來作為隱形飛機的材料。石墨烯還可以用來做發(fā)熱、散熱材料等，這些應(yīng)用都會為人們的生活帶來較大改變。因為石墨烯的用途廣泛，各國都在不遺余力的推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，我國也已經(jīng)把石墨烯行業(yè)作為戰(zhàn)略行業(yè)。然而，工業(yè)規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)對于這些巨大的應(yīng)用來說，很大程度上取決于石墨烯生產(chǎn)的容易程度，這在過去是一個瓶頸，幸運的是，最近有所改善。一、石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能石墨烯是一種由碳原子sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，具有二維原子尺度，是六角形的碳同素異形體，而且它每個頂點都有一個原子，其厚度非常的薄，在一個納米以下，具有超大的比表面積和良好的韌性以及透光、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能等性質(zhì)。石墨烯具有良好的導(dǎo)熱率。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)孔可以使聲子通暢，從而導(dǎo)致石墨烯具有超高的熱導(dǎo)率。由于存在帶隙很低的金屬層，它可以被視為具有特殊理論背景的半金屬。石墨烯的性能完全取決于石墨烯層的層數(shù)和缺陷。例如，原始石墨烯的理論比表面積為2630m2/g，比炭黑的表面積(850-900)m2/g高得多。由于石墨烯特殊的性質(zhì)，石墨烯作為許多現(xiàn)代技術(shù)的完美材料，包括電子應(yīng)用，以及許多其他材料作為基板或模板.石墨烯的重要特性之一是其超高的導(dǎo)電性，這對于下一代技術(shù)來說是非常重要的。石墨烯及其工程模擬物零帶隙，價帶和導(dǎo)通帶之間幾乎沒有重疊，為應(yīng)用和基礎(chǔ)研究開辟了巨大的可能性，這主要是由于電子表現(xiàn)為無質(zhì)量相對論粒子。近年來，世界各地的許多科學(xué)家都在同一領(lǐng)域致力于下一代2D材料的開發(fā)。研究還表明，石墨烯可以顯示出數(shù)個電荷轉(zhuǎn)運體和長達1013cm-2遷移率為1×104cm2V-1

s-1的載流子。在室溫下，它可以根據(jù)實時應(yīng)用情況進行調(diào)整，而且某些低溫邊界條件下這種移動性可增2×105cm2V-1

s-1。由于石墨烯中的電荷載流子和半金屬中的載流子一樣，通常稱為無質(zhì)量的狄拉克費米子，所以石墨烯表現(xiàn)出半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)是唯一的，并且表現(xiàn)出電荷、厚度和電荷載流子速度之間的特殊關(guān)系。由于石墨烯的這些特性，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯片的電阻遠小于銀的電阻，這對電子應(yīng)用非常有利。石墨烯具有良好的力學(xué)性能。石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)是所有材料中強度和硬度最高的，其抗拉強度可以達到125GPa，彈性強度可以達到1.1TPa。石墨烯的極限強度為42N/m2。理想狀態(tài)下的石墨烯強度非常高，大約是普通鋼強度的100倍，平均每平方米的石墨烯片可承受的質(zhì)量為4Kg。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能。研究表明，每層石墨烯的反射率均小于0.1%，白光吸收率高達2.3%。因此，純石墨烯層具有高度的透明性和高度的靈敏性。石墨烯的吸光度與層數(shù)呈線性關(guān)系，因此，隨著石墨烯層數(shù)的增加，吸光度迅速增加。

二、石墨烯的制備由于石墨烯的快速發(fā)展，如今最主要的問題是如何實現(xiàn)大規(guī)模批量化的制備結(jié)構(gòu)、厚度和尺寸可控制高質(zhì)量石墨烯。到現(xiàn)在為止，主要制備石墨烯的方法包括物理方法：機械剝離法、取向附生法。化學(xué)方法：化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD）、氧化還原法、SiC外延生長法。除此之外還有些一些其他方法。（一）物理方法1機械剝離法機械剝離法可能是在襯底上提取單層石墨烯薄片的最罕見和最杰出的工藝。這是納米技術(shù)中的一種自上向下的技術(shù)，在層狀結(jié)構(gòu)材料的表面產(chǎn)生縱向或橫向應(yīng)力。當單原子石墨烯層在弱范德華力的作用下堆積在一起時，石墨烯薄膜就形成了。層間距離和層間鍵能分別為3.34?和2eV/nm2在機械剝落過程中，單原子層從石墨中分離需要大約300nN/μm2的外力。石墨薄片的堆積是垂直于薄片平面的部分填充的π軌道(涉及范德華力)重疊的結(jié)果。剝落與堆積相反，由于在垂直方向上鍵合較弱，晶格間距較大，而在六邊形晶格平面上鍵合較強。不同厚度的石墨烯薄片可以通過機械剝離石墨材料(如高度有序熱解石墨(HOPG)、單晶石墨或天然石墨)的層來獲得。這種剝落可以使用各種各樣的工具，如透明膠帶，超聲波甚至通過轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)等。在某些研究中，為了提高單層或少數(shù)層石墨烯薄片的成功率，也可以通過環(huán)氧樹脂等常規(guī)粘合劑或SAMS與基體結(jié)合。最近的一項研究表明，可以用金膜從圖案化的HOPG中轉(zhuǎn)移印刷宏觀石墨烯圖案。這是迄今為止生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯最便宜的方法。機械剝落法獲得的石墨烯薄片通常采用光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜和原子力顯微鏡進行表征。對剝落的石墨烯進行AFM分析，以評估其厚度和層數(shù)。通過機械剝落法發(fā)現(xiàn)單層片狀石墨烯純屬偶然，而且通過這種方法獲得的單層或幾層石墨烯的產(chǎn)率很低，并且片狀石墨烯會隨機擴散到襯底上。光學(xué)顯微鏡是另一種常用的識別單層石墨烯的方法。根據(jù)厚度的不同，石墨烯薄片會在硅晶片頂部300納米厚度的熱生長SiO2層上形成典型的顏色對比。拉曼光譜還對石墨烯的機械剝落進行了研究。這是識別石墨烯薄片厚度和估算其結(jié)晶質(zhì)量的最快速、最精確的方法。這是因為石墨烯的拉曼光譜是基于層數(shù)的特征拉曼光譜。在這種微機械剝離方法中，石墨烯是用膠帶從石墨晶體中分離出來的。從石墨上剝離后，多層石墨烯仍然留在膠帶上，通過反復(fù)剝離，多層石墨烯被分割成幾片少層石墨烯薄片。隨后，所述膠帶被附到丙酮襯底上，以便分離所述磁帶。最后用未使用的磁帶進行最后一次剝離，獲得的薄片在尺寸和厚度上有很大差異，對于基于晶圓的單層石墨烯來說，其尺寸從納米到幾十微米不等。單層石墨烯的吸收率為2%，但由于干涉效應(yīng)，可以在光顯微鏡下SiO2/Si表面上看到它。事實上利用這種剝離方法很難獲得大量石墨烯，甚至不能穩(wěn)定制出可持續(xù)性薄片。這種方法的難度確實很低，然而石墨烯薄片需要在襯底表面找到，這是非常費力的。通過這些機械剝離方法形成的石墨烯被用于生產(chǎn)FET器件。盡管如此，機械剝離法仍需進一步改進，以在納米技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、無缺陷、高純度石墨烯的量產(chǎn)。2石墨烯熱解溶膠-熱解法是自底向上合成石墨烯。在這個熱反應(yīng)中，鈉和乙醇的摩爾比為1:1，在封閉容器中，石墨烯薄片可以通過超聲波加熱乙醇鈉順利分離。用SAED、TEM、拉曼光譜等手段研究石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)、不同的層數(shù)、石墨化性質(zhì)、帶結(jié)構(gòu)等，得到了尺寸可達10μm的石墨烯片。拉曼光譜顯示，石墨烯具有較寬的D波段、G波段和IG/ID~1.16的強度比。該工藝成本低，易于低溫制備高純度、功能化的石墨烯。但是該方法制出的石墨烯的質(zhì)量仍然不合適，因為它含有大量的缺陷。（二）化學(xué)方法1氧化還原法氧化還原法是大量制備石墨烯的傳統(tǒng)方法之一。氧化還原法一般是根據(jù)Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法用濃硫酸、硝酸、高錳酸鉀等強氧化劑將石墨氧化而合成的。另一種氧化還原生產(chǎn)石墨烯的方法是利用超聲化還原氧化石墨烯。電化學(xué)還原是另一種大規(guī)模合成石墨烯的方法。1962年，首次建立了單層還原氧化石墨烯薄片的方法。然后，氧化石墨溶液可以被聲波處理以形成氧化石墨烯納米片。然后使用聯(lián)氨還原劑去除氧基，但發(fā)現(xiàn)還原過程不完全，留下一些氧化石墨烯之所以有用，是因為它的每一層都是親水的，與石墨不同。氧化石墨烯通過超聲波懸浮在水中，然后通過旋轉(zhuǎn)涂層或過濾沉積在表面，制成單層或雙層氧化石墨烯。然后，通過熱還原或化學(xué)還原氧化石墨烯制成石墨烯薄膜一種簡單的一步法，即溶劑熱還原法，在有機溶劑中生成還原的氧化石墨烯分散體。2化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相沉積是分子被加熱并轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的化學(xué)反應(yīng)過程。在這種CVD工藝中，石墨烯在高溫下分解擴散，沉積在襯底表面的薄膜、晶體、固體、液體或氣體前驅(qū)體上。CVD法沉積高質(zhì)量石墨烯通常是在各種過渡金屬襯底上進行的，如Ni、Pd、Ru、Ir和Cu。但是石墨烯的CVD生長主要是在銅和鎳兩種金屬襯底上進行的。鎳是第一個嘗試大面積石墨烯CVD生長的襯底。這些嘗試從2008年開始。1966年鎳于甲烷T=900°C形成薄石墨，用作電子顯微鏡的樣品支撐物。1971年，他們觀察到石墨棒中C的蒸發(fā)形成了石墨烯薄片。在1975年首次報道了用熱CVD法在Pt上沉積單層石墨材料。后來，Eizenberg和Blakely報道了Ni上石墨薄片的形成。1984年，研究人員進行了可能是首次在金屬表面上生長CVD石墨烯的紅外實驗，以研究在存在碳的情況下紅外的催化和熱離子特性。對石墨烯的物理和化學(xué)性質(zhì)進行了精確的分析，開辟了石墨烯電子學(xué)的新領(lǐng)域。2006年，首次嘗試用化學(xué)氣相沉積法在鎳箔上合成石墨烯，使用樟腦(甾類化合物，化學(xué)式為C10H16O的白色透明固體)作為前驅(qū)體材料。3SiC外延生長法單晶碳化硅(SiC)表面的外延熱生長是最受歡迎的石墨烯合成方法之一。當在單晶襯底上沉積單晶薄膜產(chǎn)生外延薄膜時，這個過程稱為外延生長。它在單晶SiC襯底上制造高晶石墨烯。根據(jù)襯底的不同，一般有兩種外延生長工藝:同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。當沉積在襯底上的薄膜是同一材料時，稱為同質(zhì)外延層，如果薄膜和襯底是不同的材料，則稱為異質(zhì)外延。碳化硅最早用于圖案化外延石墨烯的電學(xué)測量。2004年研究發(fā)現(xiàn)SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體，因此可以使用它作為襯底進行電氣測量。1975年，Bommel等人首次發(fā)現(xiàn)了6H–SiC表面的石墨烯的形成，在超高真空（-10~10mbar）及超高溫1000–1500°C下對兩個SiC表面進行熱處理，從而制備出石墨烯。2004年，deHeer的小組研究出了在單晶6H-SiC的S表面上制備由1-3個單原子石墨烯層組成的超薄石墨烯，并研究了其電子性質(zhì)。石墨烯在碳化硅表面上的生長速率取決于碳化硅晶體的特定極性表面。石墨烯在C面上的形成速度比在Si面上快得多，在C面上，產(chǎn)生了更大的多層旋轉(zhuǎn)無序石墨烯疇，約（100~200nm），而在硅表面，超高壓退火產(chǎn)生了小疇，約30–100nm。Si（0001）和C（0001）在超高真空（UHV）及超高溫T（>1000°C）下退火，由于Si的蒸發(fā)而石墨化。在SiC上外延生長石墨烯被認為是一種非常有前途的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化石墨烯的方法。SiC上的石墨烯可產(chǎn)生高頻電子器件、發(fā)光器件和輻射硬器件。在晶圓尺度上，利用石墨烯在SiC上制備了頂級門控晶體管。高頻晶體管被發(fā)現(xiàn)具有100GHz頻率，高于同等柵極長度的最先進Si晶體管?；诹孔踊魻栃?yīng)(QHE)，SiC上的石墨烯已被確立為一種新的電阻標準。（三）其他方法還有其他幾種方法可以制備石墨烯，如PMMA納米纖維的電子束輻照、石墨的電弧放電、多環(huán)芳烴的熱熔合和納米金剛石的轉(zhuǎn)化。石墨烯可以在氫氣氣氛下通過電弧放電法合成，具有兩到三層，薄片尺寸為100–200nm。通過快速加熱過程，空氣中的電弧放電產(chǎn)生了約100–200nm寬的石墨烯納米片，主要有兩層。高電流(100A以上)、高電壓(50V)、高氫氣壓力(200Torr以上)是獲得石墨烯的有利條件。石墨烯層的厚度很大程度上取決于初始氣壓。采用He和NH3氣氛作為電弧放電方法。在He中考慮了氣體的壓力和電流，得到了不同數(shù)量的石墨烯片。在分子束沉積技術(shù)中，采用乙烯氣源沉積在鎳襯底上，大面積、高質(zhì)量的石墨烯層的產(chǎn)生依賴于冷卻速率。三、石墨烯的應(yīng)用（一）光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用1石墨烯顯示器石墨烯是一種適用于EED（電子發(fā)射顯示器）的材料，因為它具有高的長寬比，并且在薄板顯示器的兩端有懸空鍵，這是一種熟練的電子隧道技術(shù)。值得注意的是，石墨烯界面可產(chǎn)生無質(zhì)量的狄拉克費米子。當它受到電場作用時，場流釋放電子，同時避免所有的反向耗散，因為它的逸出速度不依賴于它的能量。石墨烯可以在0.1vμm?2的電壓下打開電場，電場改善系數(shù)高達3700。石墨烯顯示器目前在市場上廣泛應(yīng)用。George等人研究了模型觸摸面板顯示器的力學(xué)行為，該顯示器由兩層CVD生長的純石墨烯組成，在拉伸和接觸應(yīng)力動態(tài)加載下嵌入PET薄膜。他們研究了基于石墨烯的原型面板顯示器在手機中實時應(yīng)用的幾種特性。根據(jù)這項研究，石墨烯可能是下一代柔性觸摸面板顯示器的理想選擇。2柔性石墨烯晶體管石墨烯基晶體管是一種單電子納米器件，它一次只允許穿過一個電子。這種晶體管自問世以來就引起了人們的極大關(guān)注，現(xiàn)在許多晶體管已進入市場，用于日常應(yīng)用。石墨烯基晶體管的主要優(yōu)點之一是它們可以在室溫下進行工作,也可以在低電壓條件下工作，而且具有較高的靈敏度。這些特點使得石墨烯基晶體管比硅基晶體管更加有優(yōu)勢,也促進了微芯片技術(shù)的進步。此外,由于石墨烯的固有特性,這種半導(dǎo)體晶體管也是非常靈活且完全可以折疊。然而，由于帶隙問題，原始石墨烯不能作為硅的替代品。石墨烯中的電子表現(xiàn)得像聲子，這與它們的運動能力相反。（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用1石墨烯傳感器傳感器是一種能夠準確地感知周圍環(huán)境中可能發(fā)生的各種動作(例如熱、運動、光、壓力、濕度等),并通常都是以光學(xué)、機械或者電信號為基礎(chǔ)來進行反饋的檢測裝置。國內(nèi)的水銀溫度計就是一個日常使用的傳感器的例子。因為石墨烯具有較大的比表面積、優(yōu)良的的光學(xué)特性、超高的導(dǎo)電性、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等優(yōu)點，所以石墨烯和傳感器相組合非常合適。石墨烯的巨大的比表面積能夠增強不同需要的生物分子在其表面上的負載。它優(yōu)良的導(dǎo)電能力和較小的帶隙可以促進生物分子和電極在表面間的電子相互傳導(dǎo)。由于石墨烯片中顆粒的二維、平面和相容性沉降，一個完美的傳感器可以區(qū)分其包覆狀況的微小變化。需要注意的是，片內(nèi)的每個顆粒都呈現(xiàn)出包覆性的狀況。這使得石墨烯能夠在微米級的測量中充分識別周圍環(huán)境的變化，使其高度的可感知性。石墨烯同樣可以在原子水平上區(qū)分奇異的擾動。這些優(yōu)良的石墨烯特性非常有利于傳感器的應(yīng)用?？偟膩碚f，石墨烯可以用作不同領(lǐng)域的傳感器的一部分，例如：生物傳感器，診斷儀，場效應(yīng)晶體管，DNA傳感器和氣體傳感器等。2石墨烯抗癌材料一種基于石墨烯的納米載體多功能材料，在癌癥治療中的應(yīng)用，如石墨烯的表面可以使用共價或非共價鍵的抗癌藥物進行功能化。石墨烯的疏水性表面為兩親功能團的附著提供了一個合適的平臺，并有利于癌癥的細胞靶向治療。各種抗癌藥物，如多柔比星、喜樹堿、露卡素、紫杉醇等都被功能化在石墨烯納米材料（GBNMs）上。最早的研究之一是用喜樹堿對石墨烯進行功能化，結(jié)果表明喜樹堿在結(jié)腸癌中的抗癌活性增加了三倍。該配方確實具有化學(xué)治療的性質(zhì)，但顯示出缺乏藥物的裝載效率。另一項研究將透明質(zhì)酸作為氧化石墨烯的涂層材料，由此產(chǎn)生的復(fù)合物可介導(dǎo)乳腺癌細胞的光熱消融。透明質(zhì)酸涂層增加了細胞相容性、穩(wěn)定性和對乳腺癌細胞的選擇性。這種復(fù)合物使乳腺癌細胞的存活率降低了80%，因此，這種涂層納米載體成為一種有前途的乳腺癌療法（三）儲能領(lǐng)域的應(yīng)用1石墨烯超級電容超級儲能電容器電池是一種介于傳統(tǒng)儲能電容器與二次儲能電池之間的新型電化學(xué)材料儲能充電裝置,它本身具有充電功率密度高、充電快、散熱效果好、高循環(huán)壽命、無化學(xué)污染、免養(yǎng)護維修等諸多優(yōu)點,在各種各樣需要促進能量快速轉(zhuǎn)化的儲能技術(shù)和新領(lǐng)域應(yīng)用中都具有很多的實際應(yīng)用價值。然而超級儲能電容器目前受到了對于電極材質(zhì)的限制,其中的能量分子密度通常會遠遠低于20wh/kg。石墨烯本身就具有超大的比表面積(2600m2/g),應(yīng)用于超級電容器的多種電極合成能大幅提高它的儲能離子密度,其中它的儲能離子密度已經(jīng)接近于普通鉛酸離子電池,它也是超級離子電容器的一種理想電極合成材料。石墨烯超級高速電容技術(shù)生產(chǎn)而出制成的電動汽車,一次高速充電僅僅只需8分鐘,即可提供額定電力的小型新能源電動汽車行駛1000千米。石墨烯超級電容器的能量分子密度已經(jīng)超過600wh/kg,是目前最先進的動力復(fù)合鋰電池5倍,電池的內(nèi)部重量僅為目前鋰離子復(fù)合電池全部重量的一半,使用壽命至少可能是目前的動力鋰電池2倍,是目前市場傳統(tǒng)的氫化物電池4倍,成本將至少會比目前的鋰電池成本下降77%。2石墨烯鋰硫電池自1940年以來就制造了包括鋰硫電池在內(nèi)的各種電池。鋰硫電池和其他電池相比的缺點是價格昂貴，壽命很短。通常，在鋰硫電池中，硫作為陰極，鋰作為陽極。在鋰硫電池的放電過程中，鋰在陽極被氧化并轉(zhuǎn)化為鋰離子，在陰極，硫被還原并轉(zhuǎn)化為硫離子。然后，鋰離子向陰極移動，與被還原的硫反應(yīng)，形成Li2S。為了解決所有這些問題，可以在不同的電池框架中將石墨烯固結(jié)到陽極和陰極中，從而提高電池的效能，提高充放電循環(huán)速度。石墨烯的超高導(dǎo)電性、高深寬比和分散性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的無機陰極，同時減輕了它們的限制。由于石墨烯具有良好的適應(yīng)性，已廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、鋰硫電池、超級電容器和能源元件中。鋰硫電池的能量高達500Wh/kg，甚至更高，以便實時使用。（四）水處理領(lǐng)域中應(yīng)用1海水淡化在近些年來的水處理技術(shù)發(fā)展中，石墨烯的納米材料被越來越多的人證明憑借其良好的物理化學(xué)性能，比如良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔隙可控性和良好電流遷移率，被用來在海水中選擇性金屬離子分離，而達到脫鹽的效果。Cohen-Tanugi等采用動力學(xué)經(jīng)典理論，闡述了由于石墨烯的羥基具有良好的親水性，能夠大大提高水的通過性，說明石墨烯薄膜比傳統(tǒng)海水淡化反滲透膜的透水性要高得多。雖然這種石墨烯材料具有良好的過濾篩分能力，但是它卻難以被大面積的制備，從而限制了它的實際應(yīng)用。最近，袁荃教授和段鑲鋒教授發(fā)明了一種大面積制備石墨烯-納米網(wǎng)/單壁碳納米（GNM/SWNT）復(fù)合膜的方法，有望實現(xiàn)石墨烯濾膜的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。這種高機械強度的GNM/SWNT復(fù)合膜可以防止撕裂和溶質(zhì)泄漏，面積可達厘米級。測試發(fā)現(xiàn)，該材料可以從鹽水中剔除85%至97%的鹽。2去除有機污染物有機污染物的去除可以主要通過石墨烯和氧化石墨烯和有機污染物的交互作用去除，比如電子對的堆疊、分子間引力和疏水能力及等作用。對有機污染物吸附過程影響的主要條件是：污染物的特性、吸附劑表面特征、水中的環(huán)境條件和體系PH值。石墨烯在去除有機污染物方面的研究主要集中在有機染料、化學(xué)藥物以及難降解有機污染物。Tang等人通過水熱法合成了一種富含氧官能團的丹寧酸修飾的石墨烯水凝膠，這種水凝膠對亞甲基藍有著超高的吸附能力，其吸附量最大可達到714mg/g。Li等人采用多孔石墨烯氧化物(MPrGO)磁還原法來吸附廢水和純水中的三氯烷。除了用于吸附劑的富集,石墨烯吸附復(fù)合物可以通過利用光催化、電化學(xué)催化等多種途徑,用于水中污染物的吸附去除。光催化的載體工作產(chǎn)生機理主要指的是指當石墨烯在其中吸收的大量光子的動能遠遠超過其原子帶隙的動能時,碳原子就受到光子激發(fā)而催化產(chǎn)生一種釋放電荷大的載體,即電子e-和空穴h+。所產(chǎn)生的放射性電荷載體就會遷移到污染物的表面,與其在污染物中所吸附的放射性物質(zhì)會自動發(fā)生一種氧化和還原的反應(yīng),進而導(dǎo)致污染物被降解。由于石墨烯優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì),近年來在污染物電催化方面展現(xiàn)出不俗的成績。3去除重金屬離子由于多孔石墨烯和石墨烯的復(fù)合材料具有較高的比表面積，密密麻麻的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和大量的表面官能團，使其對水中的重金屬理子有著非常良好的吸附性能。在最近這幾年有很多人研究了石墨烯和石墨烯復(fù)合材料對重金屬離子吸附去除的研究，主要吸附去除的重金屬污染物中所含的汞、鉛、鉻、鎘、鋅、銅、鎳等。石墨烯材料去除重金屬污染物的機理主要是離子交換，靜電相互作用，表面絡(luò)合等，而且這幾種作用并不是單獨產(chǎn)生，往往是相伴產(chǎn)生。近期崔屹課題組研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯所覆蓋的碳電極在電沉積的作用下對重金屬離子有著超高的吸附能力，平均每克氧化石墨烯可以吸附29g的重金屬理子。由于石墨烯覆蓋的碳電極表面有著大量的官能團，使其對水中的多種重金屬的回收率高達99.9%。（五）石墨烯功能性涂料1石墨烯抗靜電涂料抗靜電防腐涂料被廣泛應(yīng)用在汽車、電子、機械、航空和化工等工業(yè)領(lǐng)域,隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步,對其產(chǎn)品抗靜電性能要求也愈來越嚴格。石墨烯材料具有的高強度導(dǎo)電、強力學(xué)等重要特性,這些優(yōu)良的特性都有利于開發(fā)出一種具有高性能、高強度的新型防靜電涂料。將十六氟苯胺接枝石墨烯的薄膜表面以便于提高其與環(huán)氧樹脂的化學(xué)相容性,然后以共用或混合的一種形式將二者均勻地進行混合,改變混合物體系中石墨烯的實際使用量,可以得到一種具有不同的表面電阻效率的新型防靜電改性涂料,當新型防靜電改性涂料中的石墨烯添加劑的實際量為0.5%時,防靜電改性涂料薄膜的表面電阻效率就可能會直接下降至109ω/sq,達到防靜電改性涂料在材料的行業(yè)規(guī)范和國家標準的要求。2石墨烯油墨石墨烯已被進一步用于生產(chǎn)電子、耐熱和防腐蝕用途的功能性油墨。通過將石墨烯摻入油墨配方中，與石墨烯相關(guān)油墨的導(dǎo)電性能會影響，使其變得導(dǎo)電且可加工。與其他導(dǎo)電油墨（甚至是一些新開發(fā)的納米油墨）相比，石墨烯油墨無毒，環(huán)保，便宜且可回收利用。此外，石墨烯還具有很高的熱穩(wěn)定性，是生產(chǎn)大量熱量的電子應(yīng)用中耐熱油墨涂層的理想材料。由于石墨烯在制造過程中不會分解，所以在需要較高的加工溫度時，它也是一種較好的選擇。石墨烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和極高的惰性。這些額外的優(yōu)點使石墨烯成為功能性油墨應(yīng)用的理想選擇。因此，對于環(huán)境因素至關(guān)重要的應(yīng)用場合，石墨烯油墨可以提供一種穩(wěn)定的屏障，以保護材料免受化學(xué)物質(zhì)和腐蝕的影響。（六）催化領(lǐng)域的應(yīng)用催化是工業(yè)革命和研究發(fā)展的重要基礎(chǔ)研究課題。由于石墨烯具有豐富的表面性質(zhì)、片狀形態(tài)、高表面積和高電子遷移率，石墨烯及其衍生物被證明是非常有效的催化材料。傳統(tǒng)上，許多催化反應(yīng)使用貴金屬作為機械載體和慢化劑來提高反應(yīng)速率和生產(chǎn)率。同樣地，石墨烯作為一種化學(xué)惰性物質(zhì)，因為在其最純的形式中，沒有自由鍵。但是，官能團的添加改變了石墨烯的特性，使其適合作為催化載體。此外，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯平面且均勻的表面會增強襯底與催化劑之間的界面相互作用。由于石墨烯的二維表面形貌，金屬催化劑可以在石墨烯的表面準確地定位，從而獲得最佳的性能。同樣，石墨烯高效的機械背景和非凡的電荷承載能力，通過最大限度的催化劑-底物參與，有助于反應(yīng)過程中的電荷交換。此外，石墨烯處于休眠狀態(tài)，不參與催化循環(huán)，因此可以用作催化劑的理想載體。同樣，石墨