石墨烯，一个熟悉又陌生的名词。今天为大家详细讲讲石墨烯的前世今生！

石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”，被誉为改变21世纪的“神奇材料”，不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用，而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。

石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料；是获得诺贝尔奖的21世纪“神奇材料”，未来一定会给人类的生活带来巨大改变，比如石墨烯电池20秒钟就能充满电且使用半个月，比如石墨烯电池的电动汽车充电10分钟能续航1000公里，这将是对世界的颠覆。

石墨烯诺奖获得者

2010年诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的Andre Geim（海姆）和Konstantin Novoselov（诺沃肖洛夫），表彰他们2004年利用透明胶带制备出二维石墨烯（graphene）材料。

石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，薄到只有一层原子。实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯

石墨烯简介

石墨烯是碳原子以六边形蜂巢状排列构成的单层二维晶体：

• 世界上最薄最坚硬的纳米材料

• 几乎完全透明 (吸收2.3%的光)

• 导热系数高达5300 W/m·K

• 电子迁移率15000 cm2/V·s

• 电阻率世上最小 (10-6 Ω·cm)

石墨烯分类

石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。

（1）单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

（2）双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

（3）少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

（4）多层或厚层石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

平常所说的石墨烯的很多性能是基于单层或双层石墨烯

石墨烯的应用—石墨烯电池

传统锂电池阴极导电率不高

（1）添加石墨烯作为导电剂促进电量转换。

（2）石墨烯夹层其他纳米材料，形成纳米复合结构（如图）：

（3）提高导电性，纳米复合结构也能提高电荷密度。

（4） 石墨烯高热导率可以 在充放电过程中帮助 散热，并能防止电极热膨胀，提高电池使用寿命。

石墨烯有很大的比表面积，但是在试验中，石墨烯做负极的锂电池循环寿命很差，充放电快，但是用不了太久。

（5）此外把一个电极的材料全换成石墨烯在锂电池中应用，石墨烯主要起到的作用，一是导电剂，二是可能做电极嵌锂材料。这两点作用传统的导电碳/石墨都可以做到，纵然石墨烯放电与充电的速度更快，但是成本却非常的高昂。

（6）相反我们国家是一个石墨资源比较丰富的国家，目前石墨的价格比较合理，所以才可以大面积的应用。对比石墨烯，由于制备技术还没有获得突破，所以石墨烯的成本很高。因此即便解决了复合电极的问题，成本的问题也不是短时间可以解决的。

（7）并且石墨烯做负极，理论上最多是石墨负极两倍的容量，首次效率低，性能受表面状态影响极大等特点，也使得石墨烯作负极的优势并不明显。并且目前电池领域已经开始使用硅来作为负极。硅的理论容器近石墨的10倍，因此石墨烯解决了复合材料与成本问题之后，也要面临硅的挑战。在电池领域，石墨烯要走的道路还很长。

石墨烯的应用—柔性显示

石墨烯透明、导电性能及柔软的机械性能可用于柔性显示

▲中科院重庆绿色智能所研制的石墨烯显示屏

▲三星的石墨烯柔性显示屏

（1）在未来的触摸屏领域， 石墨烯电容式触摸屏有望替代现有的氧化铟锡 (ITO) 透明电极，与传统的 ITO 触摸屏相比，石墨烯触摸屏有如下优点：

首先，无毒环保，石墨烯由纯碳构成， 即使植入生物体内， 也仅产生微弱的排异反应。 相比 ITO 使用有毒的稀有金属铟，石墨烯对环境友好。

其次，石墨烯的光学性能要优于 ITO，能部分消除镜面反射，可有效解决长期困扰 ITO 的光学镜面反射问题。在强光下，ITO 屏幕会变黑，而同样情况下的石墨烯触摸屏镜面反射会减弱很多，用户可以正常使用

（2）目前ITO的透过率已经在90%左右了。而石墨烯单层对可见光仅2.3%的吸收，透明度为97.7%，从90%到97.7%，提升了7.7%的透过率，这也是石墨烯制作液晶屏幕的优势。但从目前的产业发展来看，石墨烯的胜算并不大。

（3）目前液晶屏幕亮度已经很高，透光度从90%上升到97.7%，对于用户的直观感觉提升并不大，况且用户对于超高亮度的液晶屏幕需求也并不高，毕竟在太阳底下使用屏幕的情况并不多。其次97.7%的石墨烯是单层的石墨烯，因为石墨烯每增加一层厚度，光透过率降低2%-3%。而单层石墨烯应用在液晶屏幕里是不太可能的。

（4）单层的石墨烯对于蚀刻的要求非常的严苛，如果采用单层的方案，产品的良率就成了问题。并且单层石墨烯的电阻很大。虽然石墨烯的导电性很强，但是单层的石墨烯结构不完整，因此电阻会成倍增加，这也是一个挑战。从目前的行业来看，石墨烯替代ITO玻璃的优势并不大，因此其在屏幕领域的发展还需要再观察。

石墨烯的应用—石墨烯微电子器件

石墨烯具有特殊的能带结构 ，利用其特性制造各类微电子器件。

▲石墨烯场效应管及I-V特性曲线

石墨烯的应用—超级电容

超级电容比锂电池储存更多的电能 ，充电过程十分迅速，仅需几秒至几十秒，石墨烯比传统多孔碳材料的电极具有更高导电性及丰富的层间构造。

▲中国南车研制的超级电容，充电30秒续航6公里

▲加州大学洛杉矶分校研制出石墨烯超级电容制造方法个人通过石墨烯片及DVD刻录机即可制造。

石墨烯的应用—单分子气体侦测

石墨烯具有已知材料最大比表面积，碳原子网络都可以参与电荷的传递，对其他分子如气体和生物分子有很高的灵敏度。

石墨烯的应用—功能薄膜（海水淡化 / 污染过滤 / 杀菌 ）

石墨烯的多孔结构可实现分子筛的功能，石墨烯功能薄膜实现海水淡化、过滤及杀菌功能。

▲Ag纳米颗粒修饰的石墨烯杀灭水中的大肠杆菌

▲石墨烯海水淡化作用示意图

其他应用

石墨烯的应用范围很广，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料：

石墨烯制备的太阳能电池

石墨烯纳米带

导热材料/热界面材料

场发射源及其真空电子器件

石墨烯生物器件

抗菌物质

“太空电梯”缆线

代替硅生产超级计算机

作人工光合作用高效催化剂

制作纳米变压器

晶体管、触摸屏、基因测序等领域，绷带、食品包装甚至抗菌T恤

来源：雄安石墨烯