石墨烯重点应用领域分析

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电子信息领域

电子信息领域是石墨烯最重要的应用领域。该领域的产业化决定着石墨烯的真正价值和无可替代性。目前研究热点在石墨烯传感器、石墨烯柔性电子器件、石墨烯逻辑电路等。

1.1 石墨烯传感器

在电子技术中，电信号一般更容易处理。传感器可以将气体、光、力等各种信号转换成电信号。石墨烯独特的能带结构具有优异的电学性质。石墨烯原子裸露在表面上，其电子态很容易受到外界信号的改变而改变，从而导致电学性质的变化，通过电信号来体现。这种特性使石墨烯在传感器领域能发挥巨大的作用。

1.2 石墨烯柔性电子器件

当下电子设备，尤其是智能手机，未来的发展方向都是是折叠和卷曲。石墨烯作为超薄柔性的二维材料，具有优异的力学性质，同时兼具超高载流子迁移率和透光性，是一种理想的柔性透明导电薄膜材料，可以用作新一代柔性触控屏。

1.3 石墨烯逻辑电路

逻辑电路是计算机、数字控制、自动化等诸多领域的基础，利用二进制运算规则，实现逻辑运算。简单来说，我们需要利用电路的开和关来控制计算机实现不同的功能。计算机运算的快慢决定于电路材料的载流子迁移率。石墨烯具有极高的载流子迁移率，有希望用来制造下一代超快集成电路。

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储能领域

石墨烯具有优良的导电性和极大的比表面积，在储能领域一直备受关注。石墨烯储能技术是最早大规模应用的一个领域。目前，主要包含石墨烯锂离子电池、石墨烯超级电容器、石墨烯固态储氢等。

2.1 石墨烯锂离子电池

锂离子电池通过锂离子在电池的正负极之间来回移动来实现电能的存储和释放。理论上，石墨烯可以作为活性材料来直接储存锂离子，也可以作为导电材料来辅助电池的性能。实际中，石墨烯直接储存锂离子的能力不能达到实际使用需求。所以更多的是作为导电剂来提高电化学效率。

2.2 石墨烯超级电容器

超级电容器和锂离子电池一样，也可以储存和释放电能。超级电容器的储存单位电量较少，但可以瞬间提供大量的电量，所以可以满足需要瞬间大功率放电的需求。

石墨烯/金属氧化物复合材料利用石墨烯作为金属氧化物的载体，使其在纳米尺度分散，可用于赝电容器中的电极活性材料。导电性、机械稳定性、和电化学性能都得到了提高。

2.3 石墨烯固态储氢

传统的氢气储运主要通过高压气态法或低温液态法实现，高压气态法对容器质量要求高、容易造成氢气的泄露，安全性低。低温液态法需要将氢气冷却至-200℃以下，成本昂贵，经济性差导致适用范围小。同时这两种方法都必须使用笨重的罐体来承压或保温，造成了巨大的有效质量损失，导致总储氢密度大幅降低。

石墨烯界面纳米阀固态储氢材料，以高活性轻金属氢化物为原材料，在不同组分界面建立石墨烯界面纳米阀结构，通过界面纳米阀非催化动力学调控机制实现储氢材料安全、可控、低温稳定释氢。

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复合材料领域

石墨烯是目前力学强度最高的材料，其弹性模量高达1TPa，拉伸强度高达180GPa，被认为是增强材料力学性能的理想添加剂。仅仅较小的石墨烯添加量，材料的韧性、强度、和刚度等力学性能得到显著的提升。

3.1 石墨烯/高分子聚合物复合材料

这种复合材料是最早研究的材料。主要关注的是石墨烯在基体材料中的分散性和石墨烯与基体材料之间的界面强度。这两个方面直接影响着复合材料的性能。目前已经商业化的有石墨烯增强PLA线材、石墨烯轮胎、石墨烯增强聚氨酯泡沫、石墨烯防腐涂料等。

3.2 石墨烯/无机非金属复合材料

无机非金属材料本身已经具有较高的刚性和强度，石墨烯主要起到增韧性或组织裂纹增长的作用。之前的研究主要集中在石墨烯陶瓷复合增强材料和石墨烯碳纤维复合增强材料。现在已经向建筑行业逐渐转变，出现石墨烯增强水泥、石墨烯增强玻璃等。

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