石墨烯的研究现状与发展趋势展望

石墨烯的研究现状与发展趋势展望

摘要：石墨烯被称之为是神奇材料和万能材料，作为一种产生于新时代的新型材料，

其本身具有着不容替代的电学、力学以及光学性能。为此，本篇文章主要分析了石墨烯在

国内外的研究现状，并对其未来的应用与发展趋势做出了展望。

关键词：石墨烯；研究发展；发展趋势

一、前言

碳材料在人类的发展进程中起到了重要的作用，作为一种十分常见且应用频率较高的

材料，碳家族不仅仅有世界上硬度最高的金刚石，同时也有柔韧性极好的石墨烯。目前石

墨烯在世界范围内得到了高度的重视，由于其本身具有着较强的导电、导热性能，同时还

拥有着高强度、高机械性以及超薄等优点，因此无论是在当下还是在未来均有着十分广阔

的发展前景。

二、石墨烯国内外研究现状

（一）国外

鉴于石墨烯具有着如此之多的优良性能，因此世界各国都积极投入到了对石墨烯技术

和产业化发展的研究之中。其中，美国、日本等发达国家已经取得了阶段性的研究成果，

并在各大企业中投入应用，例如IBM与三星公司均在利用石墨烯来生产电子产品。整体而

言，石墨烯技术在国际领域中已经发展的相对成熟，并且在多个行业中都有着较为深入的

应用，逐渐呈现出了领先地位。自2013年开始，有关于石墨烯的23个项目逐渐进入到大

众视野，欧盟正式对外宣布，在未来十年将会投入10亿欧元和100个研究团队来进行石

墨烯技术开发。

在美国，有多达三百多项的石墨烯研发项目正在积极进行，基本每项的投资额度均在

10~50万美元。通过初步了解可知，美国所研发的石墨烯技术重点倾向于体积更小且运行

速度更快的电子器件。而日本对于石墨烯行业的研究投入则更大，国家政府不仅大力支持

相关企业与教育机构的研发工作，同时还在行业内投入了大量的研究资金。其中索尼公司

也在积极研究石墨烯薄膜技术，研究成果令人期待。

（二）国内

相较于发达国家而言，我国对石墨烯技术的研究也并不落后。早在2009年，中国科学

院就已经正式推出了“石墨烯研究专项”，国家政府不仅给予了这一科研项目以强大的资

金与政策支持，科技部也鼓励诸多企业和个人加入到石墨烯的研究队伍中，在很短的时时

间内，便在石墨烯领域取得诸多进展。截止到目前为止，我国的石墨烯研究技术在国际中

仍属前列，具体的应用领域包括石墨烯制备、储能、触摸屏、防腐涂料等等。

三、石墨烯的应用

（一）透明电极

随着我国工业发展速度的持续加快，在商业领域中，有关于透明材料的应用频率在持

续增加，其中最为主要的材料即为氧化铟。相比较而言，铟元素的性质十分稳定，但由于

其产量稀少因此使用成本极高，并且在加工过程中会产生较强的毒性，具有着一定的局限

性。而石墨烯技术的出现则很好解决了这一问题，碳材料具有着高透光性与高导电性的特

点，通过技术加工工艺可以制作成具有极强渗透性的电网，进而替代氧化铟锡作为生产透

明电极的新材料。石墨烯的广泛应用不仅有效提高了生产效率，而且还为企业带来了更高

的经济收益，为整个行业可持续发展目标的顺利实现提供支持力量。

（二）传感器

在我国当前的生物传感器技术领域中，两大支撑技术即为生物与信息技术，其中集合

了多个学科的专业技能。由于氧化石墨烯具有多种官能团，可被多种生物活性分子修饰且

保持其活性不变，使得石墨烯传感器在基因、免疫诊断等医学领域有极大的应用潜力。

（三）存储器

在上文中有所提及，目前国际中的发达国家正在积极研究有关于石墨烯的存储器应用，

并开发出了可弯曲且透明的存储系统。鉴于石墨烯本身的应用优势，例如材料获取容易、

体积小巧轻便、功耗成本低以及储存密度高等等，因此可以被广泛应用到三维堆积中。目

前来自于英国的石墨烯存储器，整个体积只有50纳米长、8纳米厚，而读取和写入速度高

达5纳秒。随着此项技术的不断发，石墨烯还会被应用到诸多电子设备的弯曲屏中。

（四）净化污染物

随着核能和核技术的快速发展，在核工业发展的过程中会产生了大量的放射性废水，

将会对生态环境会造成严重的污染。由于石墨烯具有超大比表面积，其将其作为核污染的

吸附材料。由于石墨烯表面活性官能团较少，有研究者针对石墨烯进行针对性的修饰或改

性后，将其应用于重金属的吸附，实验发现石墨烯的对重金属离子的吸附效果很好，可以

实现多种重金属离子的同时吸附去除。

四、石墨烯的发展趋势

就目前看来，石墨烯的电学特性、热力学特性以及机械特性具有着不可替代的优势。

石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，是只

有一个原子厚度的晶体薄片，载流子迁移率最高达250000cm

2

/（V·s），其透光度，柔韧

性及导电性能非常适合用于穿戴设备，比如可弯曲的手机和照相机，以及可穿戴的电子设

备。

石墨烯也被用来制备分离液体的膜，它可以用来净化海水，或者建立更高效的海水淡

化厂。科学研究发现通过精准控制多孔石墨烯的孔径并且向其中添加其他材料的办法，可

以改变了石墨烯小孔边缘的性质，使改造后的石墨烯材料可以排斥或者吸引水分子。这种

改性后的石墨烯就像滤网一样可以快速地过滤海水中的盐分，从而只留下水分子，从而达

到迅速地完成海水淡化过程，

石墨烯的高强度和低重量也可以用于航空航天领域的复合材料和聚合物上，从而使飞

行器质量更轻，强度更好。

五、结束语

综上所述，石墨烯的优势在上文中已经有所介绍，其独特性能相信在日后的各个领域

中均能够大放异彩。但就当前的研究现状来看，有关于石墨烯应用在技术上仍有很多问题

需要解决，例如如何能够大规模制作、提高其结构稳定性、增强其在涂料体系中的作用机

理等等。唯有通过不懈的努力和持续研究，才能够让石墨烯在目标应用领域中发挥巨大潜

力，逐步深入到我的日常生活中。

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作者简介：李璐;女(1984.04);河南沈丘;汉;硕士;工程师;研究方向:石墨烯的制备及检测