第一篇：中山大學 先進能源材料研究室 石墨烯

石墨烯能走進我們的生活嗎？

當一片石墨烯展現(xiàn)在人們面前時，立即震撼了凝聚態(tài)物理界，因為大多數(shù)物理學家認為，理論和實驗上都認為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在。而它的獨特的性能，如石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料；石墨烯是世界上導電性最好的材料等受到國內(nèi)外眾多大企業(yè)的青睞。目前，很多企業(yè)投入巨資融入石墨烯產(chǎn)業(yè)化的行列。人的生命需要碳，人們的生活更需要碳。自富勒烯和碳納米管被科學家發(fā)現(xiàn)以后，三維的金剛石、二維的石墨烯、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。

從表面化學的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要石墨烯的化學性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個不得不克服的障礙，就是目前還缺乏適用于傳統(tǒng)化學方法的樣品。這一點未得到解決，研究石墨烯化學將面臨重重困難。盡管有許多制備方法被發(fā)明，令人失望的是目前僅有化學氣相沉積法（CVD）可以實現(xiàn)規(guī)?；苽涫┘皯谩Ｓ肅VD法可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯，但是理想的基片材料單晶鎳的價格太昂貴，這可能是影響石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的重要因素。CVD法可以滿足規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復雜。石墨烯粉體的應用可能是很難解決的問題，因為納米材料的活性和穩(wěn)定性是天然的矛盾。商用粉末樣品的石墨烯比表面積通常小到100 m2/g，這對實際應用非常不利。因此人們思考制備三維結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，這樣的材料具有自支撐的作用，可避免石墨烯團聚，保持高比表面積。但是，目前合成三維結(jié)構(gòu)的石墨烯主要采用自組裝法（模板法），該方法合成工藝復雜，成本高昂，僅停留于實驗室階段

或小批量化制備。

中山大學先進能源材料研究室原始發(fā)明了一步法批量制備三維多級孔、自摻雜類石墨烯材料。產(chǎn)品合成工藝簡單，原料來源廣泛，成本低廉，可大批量生產(chǎn)。該方法一步法制備類石墨烯三維結(jié)構(gòu)，可隨意調(diào)控三維類石墨烯材料的比表面積、孔隙率、視比重、電導率等。另外，此方法合成的三維多級孔自摻雜（氮、磷、硼等）類石墨烯材料具有其它碳材料包括商用石墨烯在內(nèi)的碳材料不具備的性質(zhì)，這些特有的性能已經(jīng)在應用方面嶄露頭角。例如，型號為SYSU-400的三維多級孔自摻雜類石墨烯，其水系電容值高達300 F/g（1 A/g）以上，在高達20 A/g的充放電電流下，充放電15000次后，其電容值仍穩(wěn)定于100%不變，表現(xiàn)出高容量、高穩(wěn)定性的材料；SYSU-500的三維多級孔自摻雜類石墨烯在鋰-硫電池中應用300次掃描后的容量大于1000 mAh g-1。這些數(shù)據(jù)都是目前世界上報道的最好數(shù)據(jù)。

中山大學先進能源材料研究室已經(jīng)建立日產(chǎn)公斤級的示范生產(chǎn)線，并向全世界派送樣品做廣泛的評價。

第二篇：石墨烯前景

2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一；

十二五規(guī)劃

石墨烯是新材料中最為“時髦”的一員。它具有超硬、最薄、負電子的特征，有很強的韌性、導電性以及導熱性。這使其能夠廣泛應用于電子、航天、光學、儲能、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域，擁有巨大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。

因此，石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)后就迅速引發(fā)全球范圍內(nèi)的研究熱。近年來我國在石墨烯研發(fā)應用方面的研究不斷加強，各地政府和有關(guān)機構(gòu)加大力度扶持和推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2013年6月，內(nèi)蒙古石墨烯材料研究院正式成立。這是我國首個與石墨烯材料相關(guān)的綜合性研究機構(gòu)和技術(shù)開發(fā)中心。

2013年7月13日，在中國產(chǎn)學研合作促進會的支持下，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式成立。該聯(lián)盟已向有關(guān)部門上報了無錫、青島、寧波、深圳四個地方，作為石墨烯產(chǎn)業(yè)研發(fā)示范基地。江蘇省、山東省等省級石墨烯聯(lián)盟已于2013年陸續(xù)成立。

2013年12月18日，無錫市發(fā)布《無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，規(guī)劃建立無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)和無錫市石墨烯技術(shù)及應用研發(fā)中心、江蘇省石墨烯質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心。力爭把無錫市打造成國家級石墨烯產(chǎn)業(yè)應用示范基地和具有國際競爭力的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。

2013年12月20日，寧波年產(chǎn)300噸石墨烯規(guī)模生產(chǎn)線正式落成投產(chǎn)。

與此同時，上海浦東新區(qū)也正籌備建立臨港石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并力爭國家石墨烯檢驗監(jiān)測中心落戶浦東。

石墨烯產(chǎn)業(yè)遍地開花。據(jù)記者了解，目前，無錫市已設(shè)立2億元專項資金，通過補貼、配套、獎勵、跟進投資、股權(quán)投資等方式，進一步扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展；寧波為了扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也拿出了千萬元以上的扶持資金。業(yè)內(nèi)人士表示，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬億元以上。

推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第三篇：石墨烯學習心得

石墨烯學習心得

最近這段時間斷斷續(xù)續(xù)搜集了很多納米材料、半導體物理還有石墨烯的相關(guān)資料，主要是來自萬方數(shù)據(jù)網(wǎng)、超星學術(shù)視頻網(wǎng)站、百度文庫還有一些相關(guān)網(wǎng)頁博客資料。了解到了很多之前聞所未聞的知識，比如“納米材料的神奇特性、納米科技潛在的危害”等等。

對于石墨烯，主要有如下幾方面不成熟的想法，還望老師您來指正。

（一）在石墨烯新奇特性以及宏觀應用預測方面

有人認為，石墨烯的這些新奇的特性以及預期應用并不能推廣到宏觀尺寸。

第一是認為很多實驗數(shù)據(jù)都是來源于對微納米級單層石墨烯的實驗研究，不能把納米微米級觀察和測試到的數(shù)據(jù)無限夸大到宏觀應用；

第二是認為單層懸浮石墨烯的特異性是依靠其邊界碳原子的色散作用而穩(wěn)定存在，大面積的單層懸浮石墨稀不可能穩(wěn)定存在。第三是認為目前的大面積石墨烯的應用實例存在相當大的褶皺以及碳原子缺失。因而否定很多2010年諾貝爾物理獎的公告中對于石墨稀的宏觀應用預測，并主張繼續(xù)深入石墨烯微觀性能研究，比如半導體器件等研究。

我想：我們最好還是不能放棄石墨烯在宏觀尺度上應用的希望，應該盡最大努力用各種手段去克服所謂的褶皺、碳原子缺失等等導致石墨烯性質(zhì)不能穩(wěn)定存在的負面因素，比如采用襯底轉(zhuǎn)移（CVD）的方式所制大面積石墨烯透明電極尺寸的方法（雖然制得的石墨烯還有很多的缺陷，但至少證明大面積石墨烯還是有可能穩(wěn)定存在并最終為我們所用的吧，畢竟有宏觀實際應用的材料才更有可能是有發(fā)展前景的新型材料）。

（二）在石墨烯制備工藝方面 我們知道，石墨烯非常有希望在諸多應用領(lǐng)域中成為新一代器件，但這些元件要達到實際應用水平,還需要解決很多問題。那就是如何在所要求的基板或位臵制作出不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯,或者通過摻雜(Doping)法實現(xiàn)所期望載流子密度的石墨烯。用于透明導電膜用途時能否實現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化,而用于晶體管用途時能否提高層控制精度,這些問題都十分重要。今后,為了探尋石墨烯更廣闊的應用領(lǐng)域,還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應用。

（三）石墨烯在納米存儲器上的應用前景

傳統(tǒng)的半導體工藝技術(shù)已逐漸逼近物理極限，難以大幅度提高存儲器的性能，越來越難以滿足人們對存儲器的要求，要想有突破性的進展，就必須另辟蹊徑，尋找新的原理和方法。

第一是因為傳統(tǒng)半導體存儲器存在容量小數(shù)據(jù)易丟失等弊端。第二是因為現(xiàn)代化信息爆炸社會迫切要求新型的大容量存儲器的出現(xiàn)。

第三因為是人們對信息存儲的安全性要求越來越高。最后，假如納米存儲技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的話，屆時我們電腦中的存儲設(shè)備也許會以PB為單位計算，而因存儲介質(zhì)損壞導致數(shù)據(jù)丟失的煩惱也將遠離我們。所以我覺得：要是可能的話，以石墨烯為介質(zhì)的存儲器，應該是一個不錯的研究方向。

第四篇：石墨烯相變材料論文

石墨烯相變材料的研究

摘要：隨著熱管理及熱存儲技術(shù)的發(fā)展，儲熱技術(shù)逐漸扮演著越來越重要的角色，于此同時尋找高性能的儲熱材料也成為了研究熱潮。近年來，相變材料的發(fā)展為儲熱技術(shù)帶來了福音，相比于其他熱導率低，儲熱性能差的儲熱材料，相變材料有著天然的優(yōu)勢。而在相變材料中，石墨烯相變材料是如今發(fā)現(xiàn)的儲熱性能最優(yōu)異的相變材料，通過將石墨烯作為填充材料，相變材料的儲熱能力大大提升。

關(guān)鍵詞： 熱存儲 相變材料 儲熱材料 石墨烯 前言：

在熱能的存儲和利用過程中，常常存在于在供求之間在時間上和空間上不匹配的矛盾，如太陽能的間歇性，電力負荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散熱和工業(yè)余熱利用等。相變儲能材料通過材料相變時吸收或釋放大量熱量實現(xiàn)能量的儲存和利用，可有效解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾。因此，相變儲能技術(shù)被廣泛應用于具有間歇性或不穩(wěn)定性的熱管理領(lǐng)域，如航空航天大功率器件的管理，周期性間歇式電子工作器件的散熱，太陽能利用，電力的“移峰填谷”，工業(yè)廢熱余熱的回收利用，民用建筑的采暖及空調(diào)的節(jié)能領(lǐng)域等。近年來，相變儲能技術(shù)成為能源科學和材料科學領(lǐng)域中一個十分活躍的前沿研究方向。

相變儲能材料具有儲能密度大儲能釋能過程近似恒溫的特點。但多數(shù)相變儲能材料存在熱導率低，換熱性能差等缺點。采用具有高導熱，低密度，耐腐蝕和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點的碳材料對其進行強化傳熱，可有效提高系統(tǒng)換熱效率。常用的固-液定型相變儲能材料實際上是一類復合相變材料，主要是由兩種成分組成：一是工作物質(zhì)；二是載體基質(zhì)。工作物質(zhì)利用它的固-液相變進行儲能工作物質(zhì)可以是各種相變材料，如石蠟，硬脂酸，水合鹽，無機鹽和金屬及其合金材料。載體基質(zhì)主要是用來保證相變材料的不流動性和可加工性，并對其進行強化傳熱。

石墨烯是一種新型碳材料，它具有由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀緊密堆積結(jié)構(gòu)。它是構(gòu)建其他維度炭質(zhì)材料的基本單元。石墨烯本身具有非常高的導熱系數(shù)，并兼具密度小，膨脹系數(shù)低和耐腐蝕等優(yōu)點有望成為一種理想型散熱材料。將石墨烯作為強化傳熱載體，有可能克服單一相變材料熱導率低的缺點，縮短復合體系熱響應時間，提高換熱效率實現(xiàn)復合材料傳熱和儲熱一體化。

本文通過查閱大量文獻以及親自做實驗得出了一些數(shù)據(jù)和結(jié)論。正文

1.根據(jù)同濟大學田勝力、張東、肖德炎、向陽等人2006年在《材料開發(fā)與應用》上發(fā)表的文章，他們對脂肪酸相變儲能材料的熱循環(huán)行為進行了系統(tǒng)的研究試驗。試驗選用了化學純的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕櫚酸等四種脂肪酸為研究對象，利用差示掃描量熱技術(shù)（DSC）測定了經(jīng)過56次、112次、200次和400次反復熱循環(huán)的相變材料的融化溫度和融化潛熱，加速熱循環(huán)試驗結(jié)果顯示：癸酸融化溫度范圍變窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化溫度范圍變寬了3℃左右，月桂酸和棕櫚酸的融化溫度范圍變化不明顯，其中以棕櫚酸的融化溫度變化最小。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，相變材料的融化初始溫度和融化潛熱變化較小，且是沒有規(guī)律的。在400次左右的熱循環(huán)范圍內(nèi)，這些脂肪酸具有較好的熱穩(wěn)定性，有作為潛熱儲存材料的應用潛力。且此四種脂肪酸的融化溫度在30℃到60℃之間，適于用作綠色建筑材料及其他室溫范圍內(nèi)的潛熱儲存過程?？紤]到相變材料的使用時間可能更長，因此要測試以上脂肪酸長期作為潛熱儲存材料的穩(wěn)定性和可行性，需要更多次數(shù)的加速熱循環(huán)實驗來驗證。而Ahmet Sari在研究純度為工業(yè)級的月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸是發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1200次熱循環(huán)后，這些脂肪酸的融化溫度均逐漸降低，降低最大值為6.78℃，并且，脂肪酸的融化溫度變寬了。這與上文實驗結(jié)果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的純度和產(chǎn)地不同造成的。因此，原料的選取對材料的性能有很大影響。

2.2012年1月20日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的黃富強等人申請了他們的最新專利：三維石墨烯/相變儲能復合材料及其制備方法。三維石墨烯/相變儲能復合材料的特征在于石墨烯與相變儲能材料原位復合，其中以具有三維結(jié)構(gòu)的多孔石墨烯作為導熱體和復合模板，以固-液相變的有機材料作為儲能材料和填充劑。可以采用兼具曲面和平面特點的泡沫金屬作為生長基體，利用CVD方法制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫狀石墨烯材料。通過該方法制備的石墨烯材料完整的復制了泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，石墨烯以無縫連接的方式構(gòu)成一個全連通的整體，具有優(yōu)異的電荷傳導能力，巨大的比表面積，孔隙率和極低密度。并且，這種方法可控性好，易于放大，通過改變工藝條件可以調(diào)控石墨烯的平均層數(shù)，石墨烯網(wǎng)絡(luò)的比表面積，密度和導電性。以金屬模板CVD法制備的三維石墨烯泡沫具有豐富的孔結(jié)構(gòu)特征，其比表面積高，孔壁孔腔高度連通，為基體材料提供可復合填充的空間。若將三維多孔石墨烯和相變材料復合，相變儲能材料被分隔在各個孔腔，與石墨烯壁緊密結(jié)合，有效熱接觸面積大幅度提高，高度連通的石墨烯三維導熱網(wǎng)絡(luò)通道將快速實現(xiàn)系統(tǒng)換熱。另一方面多孔石墨烯的毛細吸附力將液態(tài)相變儲能材料局域化，可有效防止?jié)B透。

3.2012年6月來自于中國科學院能源轉(zhuǎn)換材料重點實驗室，上海硅酸鹽研究所的周雅娟，黃富強等人發(fā)表了一篇名為太陽能材料和太陽能電池的論文，這篇論文重點講解了他們最新研制出的一種由石墨烯三維氣凝膠（GA）和硬脂酸（OA）組成的相變材料。GA是通過石墨烯氧化物在熱水表面反應制得，三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的空隙尺寸只有幾微米而且薄壁墻是石墨烯片層堆積而成，OA通過GA的毛細管力牽引下進入到GA中。GA/OA復合材料的熱穩(wěn)定性達到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA復合材料的短暫升溫和冷卻過程是在為熱能量存儲做準備。GA是一種低密度材料因此在復合材料中僅占15%的比重，這種復合材料能夠大大減少或消除材料內(nèi)部的熱電阻，表現(xiàn)出一種高儲熱的能力，達到181.8J/g，與獨立的OA材料非常接近，研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)相變材料的熱儲存能力都較低，為了提高材料的熱傳遞能力，金屬泡沫添加劑進入了專家們的視野，然而他們進一步發(fā)現(xiàn)金屬泡沫添加劑與原材料不兼容。經(jīng)過數(shù)次實驗得出的結(jié)論，石墨烯材料具有很好的熱穩(wěn)定性和熱傳遞能力，并且與原材料兼容。由石墨烯片層組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在相變材料領(lǐng)域有著巨大的潛力。

4.來自于浙江杭州輻射研究所的邢芳，李悟凡等人發(fā)表了關(guān)于烷烴類相變材料的文章。烷烴及其混合物由于自身的中低溫度熱能量儲存能力已經(jīng)被廣泛應用于相變材料中。在這些烷烴中，熔化溫度為37度的二十烷已經(jīng)出現(xiàn)在諸如電子領(lǐng)域的基于能量儲存的被動熱管理技術(shù)中。為了提高二十烷的熱導性，將石墨烯納米片添加進二十烷這個課題正在試驗中。這種復合相變材料是將石墨烯納米片均勻分布在液體的二十烷中。通過掃描量熱計測量它的熱融合和融化點，我們發(fā)現(xiàn)在10度的時候熱傳導能力整整增加了4倍，這表明石墨烯納米片相對于傳統(tǒng)的一些填充來說有著更好的表現(xiàn)。石墨烯納米片的兩維平面形態(tài)降低了熱表電阻，這也是為什么它效果這么好的原因。擴大的石墨烯片層有著高導電性和低密度性，能有效地增強相變材料的熱性能。

5.同濟大學材料科學與工程學院的田勝力、張東、肖德炎等人利用多孔石墨的毛細管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一種定形相變材料的相變溫度、相變潛熱和熱穩(wěn)定性，得出硬脂酸丁酯含量的臨界值。研究表明，硬脂酸丁酯與納米多孔石墨形成的定形相變材料相變溫度合適、相變潛熱較大、熱穩(wěn)定性好，是適合于在建筑墻體中使用的相變材料。對不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨復合材料利用差熱掃描儀進行DSC測試顯示，相變復合材料的峰值溫度為26℃，與純硬脂酸丁酯的熔點相同，即定形相變材料的熔點不變，為硬脂酸丁酯的熔點。定形材料的潛熱隨硬脂酸丁酯含量的變化而變化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相變材料的相變潛熱越大，近似呈線性關(guān)系。此定形相變材料的蓄熱性能、均勻性和熱穩(wěn)定性好，具有較大的相變潛熱，其相變溫度在26℃，適合做室溫相變材料，有助于建筑節(jié)能。此定形相變材料中硬脂酸丁酯的含量又一個滲出臨界值，當硬脂酸丁酯質(zhì)量含量達到90%時，有細微滲出，使用時建議把含量控制在85%以內(nèi)。這種定形相變材料在經(jīng)過多次熱循環(huán)之后其相變潛熱變化較小，具有良好的熱穩(wěn)定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相變材料是較好的可應用于建筑墻體的相變材料。

6.2013年，新鄉(xiāng)學院能源與燃料研究所的周建偉等人以氧化石墨烯為基質(zhì)、硬脂酸為儲熱介質(zhì)用液相插層法成功制備了硬脂酸/氧化石墨烯相變復合材料。其中以氧化石墨烯維持材料的形狀、力學性能，把硬脂酸嵌在片層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯基質(zhì)中，通過相變吸收和釋放能量，提高其儲熱、導熱性能和循環(huán)性能。該相變材料具有適宜的相變溫度和較高的相變潛熱，相變材料與基質(zhì)具有較好的相容性，在相變過程中沒有液體泄漏現(xiàn)象，復合相變儲熱材料儲/放熱時間比硬脂酸減少，且熱穩(wěn)定性良好。實驗表明，硬脂酸質(zhì)量分數(shù)為40%的硬脂酸/氧化石墨烯復合相變材料的相變溫度為67.9℃，相變潛熱為289.2J/g。經(jīng)過連續(xù)冷熱循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，復合相變材料的儲熱/放熱時間比純硬脂酸縮短，相變溫度和相變潛熱變化較小，表明硬脂酸/氧化石墨烯復合相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性和兼容性。因此，通過此方法一方面將硬脂酸局限在片層結(jié)構(gòu)中，解決了相變過程中的滲出泄露問題；另一方面，利用氧化石墨烯良好的熱傳導性提高復合相變材料的傳熱效率，彌補了硬脂酸在導熱、換熱方面的缺陷。

7.2013年10月12日到10月16日，在上海舉辦的中國高分子學術(shù)論文報告會上，四川大學高分子材料科學與工程學院亓國強等人提出了他們的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相變儲能材料的制備與性能研究，研究發(fā)現(xiàn)聚乙二醇（PEG）是一種性能優(yōu)良的固-液相變儲能材料。相變過程中會發(fā)生熔體流動泄露，故需要對其進行封裝，但封裝又會降低其熱導率，影響工作效率，增加成本。因而加入另一種物質(zhì)作為支撐定型材料，制備復合定型相變材料成為另一種選擇。但通常過高的添加量會嚴重影響材料的儲能性能。于是通過向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作為定型支撐材料，用溶液共混法在 GO 含量僅為 8%時成功制備了 PEG/GO 定型相變儲能材料。該材料在超過熔點一倍時仍保持形狀穩(wěn)定。GO 的加入對相變材料熔點基本沒有影響，但在低含量下促進結(jié)晶，當含量高于 4wt%時阻礙結(jié)晶的進行。相變潛熱隨 GO 含量的提升有所下降，但在能維持材料定型的最低含量（8wt%）時，仍高達 135 J/g，可以有效應用于儲能領(lǐng)域。該材料在經(jīng)歷 200 次升降溫循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱變化不大，較穩(wěn)定，具有良好的可重復使用性。

8.遠在大洋彼岸，來自于加州大學河濱分校，加利福尼亞大學的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在進行關(guān)于鋰電池的研究。鋰電池在在移動通訊和交通動力中扮演著重要角色，但是由于其自身的自加熱作用使得使用壽命大大縮短，為了解決這一問題，學者們經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)鋰電池的可靠性通過將石墨烯作為填充材料能夠大大的改善。傳統(tǒng)的熱管理電池由于其相位只在一個很小的溫度范圍內(nèi)變化，減小了電池內(nèi)溫度的上升，故只能依賴于潛在的儲熱能。而將石墨烯摻入碳氫化合物相變材料中可以將其導電能力提高到原來的兩個數(shù)量級倍，同時還保持潛儲熱能力。顯熱-潛熱相結(jié)合的熱傳導組合能夠大大地減少鋰電池內(nèi)部溫度的上升。儲熱-熱傳導的方法即將在鋰電池和其他類型電池的熱管理領(lǐng)域引領(lǐng)一場變革。

9.2008年4月24日來自于首爾崇實大學工學院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一種具有高導電性和高儲熱能力的相變材料。使用剝離的石墨烯納米片，石墨烯相變材料可以提高在液晶中的高導電性，熱穩(wěn)定性以及潛儲熱能力。在掃描電子顯微鏡顯示下，石墨烯相變材料均勻分布在液晶中，而良好的均勻分布意味著高導電能力。石墨烯復合相變材料的熱穩(wěn)定能力在石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幫助下得到提升。而且，由于相變材料的電熱穩(wěn)定性，石墨烯復合相變材料具備了可持續(xù)再生能力。石墨烯相變復合材料在差示掃描熱量法的熱曲線中有兩個峰，第一次在固-固過渡階段，溫度較低，峰顯示為35.1度；第二次是固-液相變階段時溫度較高，峰顯示為55.1度。石墨烯可以在保有其潛儲熱能力的情況下提高材料的熱穩(wěn)定性。相變材料具有高儲熱，低成本，無毒和無腐蝕性等特點而具有美好的前景。最近，一些無機，有機以及它們的混合物正在被應用于相變材料中，成為熱門的研究課題。

10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作為改性添加劑改良十八醇相變材料在《Physical chemistry》上發(fā)表了文章。和很多有機相變材料一樣，十八醇也具有熱導率低，換熱性能差，以及存在泄漏問題等缺點。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高導熱的特點，添加很低含量的石墨烯，就可以達到顯著提高熱導率、改良十八醇的目的。然而由于部分相變材料分子被限制在石墨烯層間空隙中，在工作溫度范圍并沒有發(fā)生相變，從而使加入石墨烯后的復合材料的相變焓低于原相變材料，造成儲熱能力的損失。實驗中，當石墨烯含量（質(zhì)量分數(shù)）達到4%時，材料的熱導率增加到原來的2.5倍，此時其相變焓只降低了15.4%。而如果用銀納米線代替石墨烯，要達到同等的熱導率，需要使其含量達到45%，并帶來高達50%的相變焓損失。綜合實驗表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明顯儲熱損失的前提下明顯改良有機相變材料的熱性能，為通過潛熱的儲存/釋放實現(xiàn)熱管理和熱保護提供了新的可行性方案。

11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上發(fā)表文章，闡述了有關(guān)石墨烯提高石蠟導熱系數(shù)的研究成果。實驗另辟蹊徑，對比了剝離石墨薄片和石墨烯作為改性添加劑對于石蠟相變材料的不同影響。實驗結(jié)果表明，剝離石墨薄片帶來的熱導率增量更高，石墨含量為10%的石蠟/石墨薄片復合材料的熱導率為純石蠟的十余倍。石墨烯表現(xiàn)出了極好的導電性，石蠟/石墨烯的電導率要遠高于石蠟/石墨薄片，但是其熱導率的增量比石墨薄片小。原因在于，雖然單層石墨烯熱導率極高，但是石墨烯片層間微小空隙內(nèi)存在的大量界面嚴重阻礙了熱傳導。同時，實驗也發(fā)現(xiàn)，石墨烯在定形方面的作用要遠過于石墨薄片。石墨含量2%的石蠟/石墨烯相變復合材料中，石蠟能在185.2℃高溫下保持形態(tài)，這遠遠超過了石蠟相變的溫度范圍。而石蠟/石墨薄片復合材料中石蠟只能保持形態(tài)到67.0℃。少量的石墨烯和剝離石墨薄片都能作為低成本、高效率的改性添加劑應用于石蠟相變材料的導熱和定形方面的改良。

12.馬來西亞的Mohammad Mehrali等人對石蠟/石墨烯相變復合材料進行了系統(tǒng)的研究和測試。該項目應用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等設(shè)備對制得的石蠟/石墨烯復合材料的材料特性和熱學性能進行了測試和分析。所測試的石蠟質(zhì)量分數(shù)為48.3%的樣品在相變過程中無泄漏現(xiàn)象發(fā)生，為定形相變材料。SEM圖像顯示石蠟嵌入了石墨烯片層間的孔隙。FT-IR分析結(jié)果顯示石蠟與石墨烯之間沒有化學反應發(fā)生。試驗進行了2500次熔化/凝固熱循環(huán)檢測來確認其熱可靠性和化學穩(wěn)定性。TGA測試結(jié)果顯示，氧化石墨烯增強了復合材料的熱穩(wěn)定性。該相變復合材料的熱導率從0.305(W/mk)顯著提升到0.985(W/mk)。測試結(jié)果表明，石蠟/氧化石墨烯復合材料具有良好的熱學性能、熱可靠性、化學穩(wěn)定性和導熱性，很適合做熱管理和熱儲存材料。總結(jié)：

相變儲能材料，通過材料相變時吸收或釋放大量熱量實現(xiàn)能量的儲存和利用，以其巨大的相變潛熱，在未來的能源利用和熱管理領(lǐng)域具有很廣泛的開發(fā)和應用價值。而大多數(shù)相變材料存在的導熱率抵、換熱性能差、相變過程發(fā)生泄漏等缺陷使其很難直接被應用于生產(chǎn)生活中。因此，需要一種改性填充材料來增加相變材料的導熱換熱性能，同時需要對相變材料進行定形和封裝。而石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)和研究成果的公布，給相變材料的研究和應用指明了道路。一方面，石墨烯的高導熱性能很好地改善了相變材料的熱性能，同時，其良好的化學穩(wěn)定性和熱學可靠性使其作為改性添加劑不與相變材料本體發(fā)生化學反應；另一方面，低密度、高強度的石墨烯結(jié)構(gòu)能夠使復合材料在較低石墨烯含量下就達到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加劑，石墨烯對相變材料的相變溫度、相變潛熱和儲熱能力的減益效果要小得多。正是從這兩方面出發(fā)，石墨烯作為導熱定形的改性材料，在相變儲能材料領(lǐng)域得到廣泛認可和應用。大量實驗采用了以相變材料作為工作物質(zhì)，通過其相變過程儲/放熱，同時以石墨烯作為載體基質(zhì)，增加材料導熱性能和不流動性的實驗思路進行相變導熱材料的設(shè)計、制備和改良。相信隨著對石墨烯研究的深入和石墨烯制備工藝的進步，石墨烯會以更突出的性能改良相變材料，從而獲得更有實踐和應用價值的石墨烯/相變復合儲能材料，為能源可持續(xù)和熱管理領(lǐng)域帶來更大的發(fā)展，為人類創(chuàng)造出更科學、更環(huán)保、更舒適的生活環(huán)境。

參考文獻：

【1】田勝力, 張東, 肖德炎, 等.脂肪酸相變儲能材料熱循環(huán)行為的試驗研究[J].材料開發(fā)與應用,2006,21(1):9—12.【2】亓國強 李亭 楊偉 謝邦互 楊鳴波 聚乙二醇/氧化石墨烯定型相變儲能材料的制備與性能研究 成都 四川大學高分子科學與工程學院 2013 【3】Yajuan Zhong Mi Zhou Fuqiang Huang Tianquan Lin Dongyun Wan Solar Energy Materials and Solar Cells Beijing State Key Laboratory of Rare Earth Materials Chemistry and Applications, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, 2013 【4】Xin Fang,?,? Li-Wu Fan,*,?,? Qing Ding,?,? Xiao Wang,?,? Xiao-Li Yao,?,? Jian-Feng Hou,? Zi-Tao Yu,?,§Guan-Hua Cheng,∥ Ya-Cai Hu,? and Ke-Fa Cen§ Increased Thermal Conductivity of Eicosane-Based Composite PhaseChange Materials in the Presence of Graphene Nanoplatelets Zhejiang 2012 【5】田勝力, 張東, 肖德炎.硬脂酸丁酯/多孔石墨定形相變材料的實驗研究[J].節(jié)能,2005,11:5—6.【6】周建偉, 程玉良, 王儲備 等.硬脂酸/氧化石墨烯復合相變儲熱材料研究[J].化工新型材料,2013,41(6):47—49.【7】黃富強 仲亞娟 陳劍 萬冬云 畢輝 三維石墨烯/相變儲能復合材料及其制備方法 上海市長寧區(qū)定西路1295號 中國科學院上海硅酸鹽研究所 2012 【8】Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar, RubenSalgado, Jacqueline Renteria and Alexander A.Balandin??Graphene-Enhanced Hybrid PhaseChange Materials for ThermalManagement of Li-Ion Batteries USA Nano-Device Laboratory, Department of Electrical Engineering and Materials Scienceand Engineering Program, Bourns College of Engineering, University of California 2013

【9】Sumin Kim a,?, Lawrence T.Drzal b Solar Energy Materials & Solar Cells USA Department of Architecture, College of Engineering, Soongsil University, Seoul 156-743, Republic of Korea Composite Materials and Structures Center, College of Engineering, Michigan State University, East Lansing, 2008 【10】Fazel Yavari, Hafez Raeisi Fard, Kamyar Pashayi,etc.Enhanced Thermal Conductivity in a Nanostructured Phase Change Composite due to Low Concentration Graphene Additives[J].J.Phys.Chem.C 2011, 115, 8753–8758.【11】Jia-Nan Shi , Ming-Der Ger , Yih-Ming Liu.Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives[J].CARBON,51(2013): 365—372.【12】Mohammad Mehrali, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali.Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite[J].Energy Conversion and Management,67(2013): 275—282.

第五篇：石墨烯調(diào)研報告

石墨烯調(diào)研報告

2016年3月4日

程畢康

1.石墨烯

石墨烯是一種可以單獨存在的單原子層二維碳材料。石墨烯結(jié)構(gòu)是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，它可以翹曲成零維的富勒烯(fullerene)，卷成一維的碳納米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三維的石墨(graphite)，因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，是最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看做是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。石墨烯可以分為單層石墨烯，雙層石墨烯和多層石墨烯。

2.石墨烯性能

石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠高過了電子在其他導體中的運動速度。石墨烯具有遠遠高于其他材料的導電性。

另外石墨烯透光率極高，在97%以上，只吸收2.3%的可見光。石墨烯實際上是一種透明、良好的導體。

石墨烯每個碳原子與相鄰的三個碳原子行程三個C-C鍵，這些C-C鍵使得石墨烯具有優(yōu)異的力學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的理論比表面積高達26.600m2/g,從而使石墨烯具有突出的力學性能和導熱性能。石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì)。

石墨烯的化學性質(zhì)和石墨類似。碳材料具有很強的吸附性，石墨烯也能夠吸附和脫附各種原子和分子。

石墨烯是寬帶隙半導體，使其具有完美的量子隧道效應、半整數(shù)的量子霍爾效應、從不消失的電導率等一系列性質(zhì)。3.石墨烯的應用

由于石墨烯具有以上優(yōu)異的性能使得石墨烯的是21世紀前景廣闊最廣闊的材料。目前石墨烯最主要的應用有：材料科學、電子科學、催化劑載體、生物醫(yī)藥學等領(lǐng)域。

納電子器件

常溫下石墨烯具有10倍于硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應的影響很小。表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。另外，石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環(huán)同樣保持很好的穩(wěn)定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。

利用石墨烯加入電池電極材料中可以大大提高充電效率，并且提高電池容量。新型石墨烯材料將不依賴于鉑或者其他貴金屬，可有效降低成本和對環(huán)境的影響。

美國俄亥俄州Nanotek儀器公司實驗人員利用鋰離子可以在石墨烯表面和電極之間大量快速穿梭的特性開發(fā)出一種新型儲能設(shè)備，可以將充電時間從過去的數(shù)小時縮短到不到一分鐘。

代替硅生產(chǎn)超級計算機

科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯還是目前已知導電性能最出色的材料，石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，由于工程師們正在設(shè)法將越來越多的信息填充在信號中，它被要求使用越來越高的頻率，然而工作頻率越高，熱量也就越高，于是高頻的提升受到很大限制。石墨烯的出現(xiàn)，使高頻提升的發(fā)展前景變得無限廣闊。這使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機。光子傳感器

石墨烯還能夠以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，現(xiàn)在這個角色還是由硅擔當，石墨烯的出現(xiàn)使硅的時代就要結(jié)束。IBM的研究小組已經(jīng)披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏。用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)的透光性。

生物醫(yī)學領(lǐng)域

石墨烯及其衍生物在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細菌分析、DNA 和蛋白質(zhì)檢測。如美國賓夕法尼亞大學開發(fā)的石墨烯納米孔設(shè)備可以快速完成DNA 測序。石墨烯量子點應用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩(wěn)定、不會出現(xiàn)光漂白和不易光衰等特點。石墨烯在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用研究雖處于起步階段，但卻是產(chǎn)業(yè)化前景最為廣闊的應用領(lǐng)域之一。

能源存儲

材料吸附氫氣量和其比表面積成正比，石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點，使其成為儲氫材料的最佳候選者。

吸聲材料

美國IBM宣布，通過重疊兩層相當于石墨單原子層的“石墨烯”試制成功了新型晶體管，同時發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的1/f。石墨烯試制成功了相同的晶體管，不過與預計的相反，發(fā)現(xiàn)能夠大幅控制噪音。通過在二層石墨烯之間生成的強電子結(jié)合，從而控制噪音。

超輕防彈衣、超強光轉(zhuǎn)換效率激光武器、超薄超輕型飛機、超薄能折疊的手機、高強度航空材料、高性能儲能和傳感器、超級電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進入科學家的研究視野。4.石墨烯制備

前石墨烯的制備工藝可分為物理法和化學法。物理法是從具有高晶格完備性的石墨或類似材料中獲得，石墨烯尺度都在80nm以上。物理法包括：機械剝離法、加熱SiC法、爆炸法和取向附生法?；瘜W法是通過小分子合成或溶液分離的方法制備，石墨烯尺度在10 nm以下?；瘜W法包括：電化學法、化學氣相沉積法、石墨插層法、球磨法、氧化石墨還原法、熱膨脹剝離法。

5.石墨烯復合材料

石墨烯應用廣闊，但是應用和研究最多的是石墨烯復合材料。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上。隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯增強體在塊體金屬基復合材料中的應用越來越受到重視。石墨烯具有優(yōu)異的導電、導熱和力學性能，可作為制備高強導電復合材料的理想納米填料，同時分散在溶液中的石墨烯也可與聚合物單體相混合進而經(jīng)聚合形成復合材料體系，此外石墨烯的加入可賦予復合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學和電學性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復合材料提供了更廣闊的應用空間。與純的聚合物相比，石墨烯/聚合物復合材料的力學、熱學、電學和阻燃性能均有顯著提高，同時，石墨烯增強的聚合物復合材料的力學和電學性能均較黏土或者其他炭材料增強的聚合物基復合材料的性能優(yōu)異。

石墨烯聚合物復合材料

根據(jù)石墨烯與聚合物的作用方式不同可分為石墨烯填充聚合物復合材料﹑層狀石墨烯聚合物復合材料和功能化聚合物復合材料。石墨烯/聚合物復合材料的制備主要采用共混法，它通過聚合物與石墨烯納米粒子共混后制成。

石墨烯/無機物復合材料

石墨烯/無機物復合材料是無機納米材料（金屬納米材料、半導體和絕緣納米材料）在石墨烯納米層表面形成石墨烯衍生物。石墨烯與特定功能顆粒結(jié)合，使其在催化劑、光學等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

石墨烯/金屬復合材料

石墨烯與聚合物、陶瓷復合時會出現(xiàn)良好的性能。此外，當石墨烯與金屬復合時，也會表現(xiàn)出獨特的性能。石墨烯比表面積大，可在其片層上修飾金屬納米粒子，即對石墨烯進行表面改性，使石墨烯的性質(zhì)發(fā)生改變。另一方面，石墨烯可作為增強體添加到金屬基體中，起到彌散強化的作用。金屬在塑性變形時，石墨烯粒子能夠阻礙位錯運動，增加金屬的抗拉、抗彎強度、硬度等機械性能。

總之石墨烯復合材料大大拓寬了石墨烯的應用領(lǐng)域。目前石墨烯和石墨烯復合材料的制備與研究尚未成熟，尤其是關(guān)于石墨烯復合吸聲材料、潤滑、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有待探索。