盘点石墨烯10大商用领域近况

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石墨烯是目前世界上最薄且最坚硬的纳米材料,其主要性能和制备方式已经被许多科学家和学者反复讨论验证。此外,它具有的出色的电、热和光学特性,在电池、传感器、太阳能电池板、电子产品等各个领域具有许多应用潜力。


业内人士非常关注石墨烯的商用情况,这是它最大的挑战之一,也是业界讨论的重点。目前,全球有数十家石墨烯制造商,尽管产量相对较低、成本也较高,但我们已经看到一些石墨烯的商业应用。未来随着其产量的增加和价格的下降,石墨烯有望在越来越多领域得到应用。





电池


新能源电池是石墨烯最早商用的重要领域。早前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池可在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。石墨烯超级电池的成功研发,解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。


此外,有研究人员证实,其制备了一种由石墨烯和硅制成的锂离子电池,该电池一次充电可使用一周,仅15分钟即可完成充电。华为也曾发布了其对基于石墨烯的锂离子电池的研究,该电池具有更高的耐热性,且寿命是传统锂离子电池的两倍。


图片来源:图虫创意




复合材料


通过在材料表面添加一些石墨烯,并加以其他工艺辅助,可以改善聚合物体系的性能和功能。少量添加石墨烯可以使环氧树脂的刚度和强度提高一倍,并且碳纤维增强体系的压缩性能显著提高,这有望为航空航天、高性能汽车、风能和体育应用提供性能更强的新一代聚合物和复合材料。


有研究人员将碳纳米管石墨烯添加到环氧树脂复合物中,并涂覆于直升机旋翼桨叶的前缘,其在一定条件下可融化1厘米(0.4英寸)厚的冰层。


国际车轮生产商Vittoria销售由石墨烯增强的复合材料制成的自行车车轮,石墨烯可为车轮提供了诸如散热(降低15-30°C)、增加横向刚度(超过50%)等优势。Applied Graphene Materials公司宣布已提供石墨烯材料,用于生产英国Century Composites制造的钓鱼竿。HEAD公司也推出了用于女士的石墨烯增强型滑雪板,名为Joy,意在轻巧耐用。


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传感器


石墨烯因其独特的特性(包括大的体积比,独特的光学特性,出色的电学特性),在传感器应用中得到了极大的开发。例如,它已应用于葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和癌细胞的诊断。同时,它也可以用作pH传感器来检测污染物。由于基于石墨烯的压力传感器占地面积小、重量轻,因此它对航空业也特别有吸引力。


石墨烯在空气或生物流体中不会氧化,通过将生物捕获分子和阻挡层应用于石墨烯,然后控制石墨烯与生物测试样品的液体之间的电压差,可以将石墨烯电路配置为场效应生物传感器。在各种类型的石墨烯传感器类型,生物传感器是第一种可出售的传感器。


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医疗


在医疗领域,石墨烯有望作为药物输送平台来治疗癌症,也有可能在组织工程中作为增强剂使用。但是这些都不太可能在近期进入市场,加快其商用推广已成为热点话题。


● 组织工程:石墨烯在组织工程中用作增强剂,可以改善可生物降解的聚合物纳米复合材料在工程骨组织应用中的机械性能。


● 生物成像:功能化且分散于表面活性剂的石墨烯溶液已被设计为血池MRI造影剂。此外,掺入石墨烯纳米粒子的碘和锰已成为多模式MRI计算机断层扫描(CT)造影剂。


● 药物输送:莫纳什大学(Monash University)的研究人员发现,石墨烯可有效吸附癌细胞,从而能够设计用于癌症治疗的药物递送剂。


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石油化工


石墨烯纳米材料可以作为乳液稳定剂,或作为井眼强度改进剂,可以对钻井液和完井液具有流体渗透屏障的作用,这会为钻探活动产生“智能流体”,可以减少渗入岩层孔隙的流体、保持原始岩层压力、减少钻孔工具的磨损,以及减少钻杆液压粘附或卡住管道的可能性。


使用石墨烯纳米材料作为钻井泥浆润滑液,可增强减摩能力、抗磨性能和泥浆稳定性。此外,使用石墨烯材料以及单壁纳米碳材料进行的纳米技术EOR化学研究已经成为近期的研究重点。从理论上讲,这些材料会与油反应并改变其油性,从而增加油的流动性,从而提高原油的产量。


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涂鸦


氧化石墨烯用作涂料的添加剂,可以用于从玻璃到金属的各种表面。通过简单的化学修饰,所得涂层在化学和热稳定性方面表现得像石墨,但在机械方面它们又变得非常坚固,几乎与石墨烯一样坚韧。


● 蒸汽冷凝器上的石墨烯涂层使冷凝效率提高了三倍,整个工厂的效率提高了2-3%。


● 石墨烯涂层可能会被引入新一代防水设备,使得防水设备的底盘不需要再被密封。


● 使用石墨烯作为导电添加剂后,可以规避因为导电剂带来的底漆颜色变深的问题,对于汽车静电喷涂的改进十分有利。数据显示,加入2%到4%的石墨烯后,底漆涂层值为40-50,完全可以满足汽车对静电喷涂的色度要求。


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导电印刷和包装




石墨烯基油墨可提供高导电性、柔韧性、高速印刷和低温固化,这意味着可以对印刷品进行摩擦、弯曲、折皱而不会造成损坏,并且可以稳定地抵抗温度、湿度和腐蚀,这为诸如医疗设备、能量存储设备、高分辨率显示器以及电化学和生化传感器之类的特殊应用打开了印刷电子产品的大门。


包装公司MWV与Vorbeck Materials合作,为需要嵌入式安全系统的产品创建了基于石墨烯的包装,其传感器可以检测出产品何时被移动,何时被取出等。

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运动器材



石墨烯基复合材料将有助于生产更坚固、更轻且更耐用的运动器材。


Directa Plus是自行车轮胎的石墨烯供应的先驱,早期的实验室轮胎测试表明,石墨烯的添加会给产品的性能带来飞跃。在50公里的计时赛中,可以帮助运动员节省40秒的时间,并且石墨烯的应用使得车胎对穿刺和割伤的抵抗力得到了显著提高。


HEAD公司宣布了他们的新系列石墨烯网球拍(YouTek Graphene Speed系列)。据称石墨烯的使用可以使得球拍杆身变得又轻又坚固。


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超级电容器


超级电容器就像电池和电容器的混合体。石墨烯超级电容器是一种特殊的电容器,拥有异常高的导电性和大比表面积,在能量储存和释放过程中比同类产品有较高的优越性。


研究人员曾宣布了一种基于DVD燃烧器还原方法生产石墨烯超级电容器的新技术。随后,该技术被改造为生产堆叠式3D超级电容器。堆叠配置大大提高了设备的能量密度,在测试中,器件在12,000次充放电循环中保持稳定,并保留了90%的电容。


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晶体管


IBM的研究可以使石墨烯晶体管在不久的将来得到应用。该晶体管的研制是IBM承接的美国国防部高级研究计划局的一项任务中的一部分,美国军方希望该项研究能够帮助他们研发出高性能的无线调频晶体管。


IBM研究院在接受采访时指出,石墨烯无法在数字计算领域完全取代硅,但它们可以互为补充,以混合电路的形式扩展计算机芯片的性能,此类电路不依赖于较高的开关比。同时他们表示石墨烯晶体管电路的尺寸在理论上是无限的,相较于硅基电路,石墨烯的输电速度要快200倍。


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