石墨烯具备众多独特的性能,如导电性、散热性、透光性及优良的机械性能,它在下一代晶体管、透明导电膜、储能技术、化学传感器、功能复合材料等与人类生产、生活息息相关的领域应用前景广阔,被认为是目前世上最薄、最坚硬的奈米材料。

由于六角苯环状的石墨烯表面具有很高的化学稳定性,与其他介质相互作用力很弱,且片层之间的凡得瓦力作用过强,导致不亲水也不亲油,几乎无法与其他介质或聚合物兼容,易于团聚。

为了克服石墨烯先天上的缺点,就必须对其进行表面改质,以改善其加工性与兼容性,增加并发挥其应用性。透过表面改质引入官能基,从而提高其与介质或聚合物的接口结合力。由于氧化石墨烯含有大量的活性含氧官能基,利用这些官能基可以与其他分子之间的化学反应对石墨烯进行改质。因此在石墨烯改质方面,氧化石墨烯扮演着相当关键的角色。

由于改质后的石墨烯可以更好地均匀分散在介质或聚合物基体中,因而可用来填充聚合物。这使功能性复合材料(如高分子复合材料、陶瓷复合材料等)的性能可以得到显著的改善。将石墨烯氧化物作为前躯体,利用其表面活化的反应基团进行表面化学修饰,然后再将其还原制备成不同的改质石墨烯(或称石墨烯衍生物)。

复合材料的性质如电导率、热导率、机械强度等主要受到添加剂的性质、型态、用量及添加物与基材之间的接口兼容性所影响。若将石墨烯(非还原的氧化石墨烯)或石墨烯微片以添加剂的应用形式掺混在各式各样的复合材料(如高分子复合材料、陶瓷复合材料、金属复合材料等)中,你会发现其溶液或树酯的分散性很差,这是由于接口不兼容而导致团聚现象的产生,此对材料生成物物性会产生相当程度的影响。这些特性限制了石墨烯(非还原的氧化石墨烯)或石墨烯微片的实际应用的可能性。

为了提高复合材料组成分之间的接口兼容性,解决相与相间结合力差的问题,常要对复合材料组成分(特别是添加剂)进行改质以改善接口特性从而提高复合材料的性能。

石墨烯氧化物(即氧化石墨烯),是一种易溶解的石墨烯衍生物。由于含有多种不同的含氧官能基如羧基、羟基、环氧基、和羰基,且由它的结构特性分析中可发现氧化石墨烯同时具有亲水与亲油的两亲特性(Amphiphiles),因此易于在各种不同的复合材料的浆料中得到良好的分散性。这能使功能性复合材料(如高分子复合材料、陶瓷复合材料、金属复合材料等)的性能(如电导率、热导率、机械强度等等)得以充分的展现。

石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时英国两位科学家用胶带从石墨中剥离出石墨片,不断的重复剥离,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的单层片状结构的二维奈米材料,这就是石墨烯。社会公认石墨烯进入工业化生产领域已为时不远,因此,两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。

完美的石墨烯是二维结构,其结构分解后可以变成零维的富勒烯,卷成圆筒型可以形成奈米碳管,迭加后可以形成三维石墨。因此石墨烯是构成石墨材料(碳同素异形体)的基本单元。

石墨烯是世界上最薄且最坚硬的材料,如果将食品塑料包装袋的材质改用石墨烯,此厚度100奈米的石墨烯包装袋,将能承受大约2吨重物品的压力,不至于断裂。其可应用在超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料、轻型汽车,甚至是能制备成数万英里的太空电梯。

石墨烯是世界上最好的导电性材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。因此被期待可用来替代硅,成为最薄、导电速度更快的新一代的电子组件或晶体管。

石墨烯拥有的世界上最高散热系数(5300W/mk),是铜的近14倍,石墨的3.5倍。因此石墨烯(还原后的氧化石墨烯)被认为适合解决目前LED照明和许多消费性电子装置例如智能型手机、计算机过热的问题。

石墨烯兼具高导电性、高透明性、高韧性(拉伸20%仍不会断裂),石墨烯能够取代ITO作为透明导电材料(柔性电极),可应用于触控面板、太阳能电池的透明导电膜与OLED面板。

石墨烯(还原后的氧化石墨烯)是制备高性能充电电池电极的首选材料。石墨烯可作为电池的正极与负极材料。将石墨烯做为锂离子电池中的导电添加剂,其电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性都得到了大幅度的改善。石墨烯本身具备超高的比表面积与多样的中空孔洞结构,可使超级电容的能量密度与功率密度大幅提升,有助于提高超级电容的特性。

科学家发现石墨烯(还原后的氧化石墨烯)与氧化石墨烯未来预计能够应用在许多生物科技或生物制药上。由于氧化石墨烯能促进细菌与哺乳动物细胞的生长,对人体无害,可以参与组织工程的人体细胞培养或增加生物制药的产量。功能化的氧化石墨烯还具备优良的生物兼容性与稳定性。

石墨烯的制备方法主要有四种:微机械剥离法、外延生长法、气相沉积法与氧化石墨烯还原法。我司采用氧化石墨烯还原法制备石墨烯材料。氧化石墨烯还原法是将天然石墨与强酸和强氧化剂反应生成氧化石墨,经过超音波分散制备成氧化石墨烯(单层或少层氧化石墨烯),再经由热处理或加入还原剂去除氧化石墨烯表面的含氧官能基,即可得到石墨烯。

高分子复合材料

特性 / 高导电、导热性、机械与组隔性质、热稳定性、透光性

在多种树脂与塑料基体中,例如:环氧树脂、酚醛树脂、PS、PVA、PET、PMMA、PP、PU、PI,石墨烯可作为功能性填料,开发出各种导电、导热、耐热、气体阻隔与结构增强的复合材料;石墨烯的高透光性也可制成PVA、PET膜。

涂料/油墨

特性 / 高导电、导热性、抗腐蚀性

石墨烯可作为功能填料,针对不同的应用领域开发出新型涂料/油墨,例如:重防腐涂料、电磁波屏蔽涂料、LED灯具用的导热涂料、印刷电路板的导电油墨等。

锂电池

特性 / 比表面积大、高导电性

石墨烯添加于电极材料中能提升循环寿命与稳定性、电容量并达到快速充放电的性能。

太阳能电池

特性 / 高电子迁移率、透光性

石墨烯具高透明度与低阻抗特性,可取代硅或ITO电极作为透明导电薄膜。

催化剂

特性 / 比表面积大、高电子迁移率

氧化石墨烯可透过表面官能化如引入羧基、羰基、环氧基等,形成可控的化学缺陷,这些缺陷能作为金属生长的成核中心,达到控制金属生长的目的,以改善其催化性能。

生物传感器

特性 / 高电子迁移率

氧化石墨烯可用于DNA/基因/蛋白的选择性检测

湿度传感器

特性 / 亲水性

氧化石墨烯制成的湿度传感器可提升灵敏度与线性范围

生物医学

特性 / 比表面积大、机械强度、生物兼容性、化学稳定性、轻薄、通透性、亲水性

氧化石墨烯作为奈米载药体系可实现超高载药性能、靶向性以及较低的细胞毒性,有助于肿瘤治疗;利用其自发荧光也可用于近红外光活细胞成像。

抗菌材料

特性 / 抗菌活性、细小的细胞毒性

氧化石墨烯能抑制大肠杆菌生长,与几丁聚醣制成复合材料可提升其抗菌能力。

散热材料

特性 / 高导热性

石墨烯制成散热片/散热膜可作为智能型手机、笔记本电脑、LED的热管理应用。

电子组件

特性 / 高电子迁移率、导电性、化学稳定性

石墨烯可缩短组件的开关时间,并达成超高频率的操作响应。