弯折角度对石墨烯纳米带热导率的影响研究*
韩梦迪，梅健，柯青
(华中科技大学电子科学与技术系，武汉430074)
本文采用非平衡分子动力学方法研究了不同温度下石墨烯纳米带（GNR）的热导率随弯折角度的变化规律。在室温下，GNR的热导率随长度增加而增加，随宽度增加而下降。随着温度的升高，GNR的热导率下降，但是当弯折角度很大时，声子散射对热导率的影响很大，导致此时GNR的热导率并不随温度升高而下降。当GNR在热传导方向出现了弯折时，各处温度梯度不一致，其热导率也出现了不同程度的下降，下降程度由弯折角度和边缘手性共同决定。此外，对于弯折角度过大的GNR，其热导率较低，在弯折处存在很大的温度跳变，进行边缘修饰可以提高其热导率并减小弯折处的温度跳变。
关键词：石墨烯纳米带，分子动力学，热导率，弯折
PACS: 05.70.Ln
1.引言
随着半导体技术的发展,超大规模集成电路的特征尺寸不断缩小[1]。目前集成电路已经进入了纳米时代，在纳米级别，金属的热稳定性下降，电阻率增加，这会影响到集成电路的散热性能。传统金属材料中，铜的热导率为400 W/mk[2]，是目前集成电路互连线的主要材料。相比之下，碳材料具有很高的热导率，Slack等人测得金刚石的热导率为2000 W/mk[3]，Berber通过分子模拟得到碳纳米管的热导率为6600 W/mk[4]。自从2004年Novoselov等人通过实验制得石墨烯后[5]，一系列的研究表明石墨烯具有独特的电磁学性质[6-9]。在热学性质方面，石墨烯同其它碳材料一样，具有极高的热导率[10]。
现有的实验已经可以制备出高质量的石墨烯[11]，并能很好的控制其边缘的几何形状[12]。由于石墨烯纳米带（GNR）具有高热导率，并与碳基电路相适应，将其用作新一代集成电路互联线可以解决纳米尺度下的散热问题，具有十分诱人的前景[13-15]。GNR的热导率受到很多因素的影响，例如当GNR的长度小于声子平均自由成775 nm[16]时，长度的增加会使GNR的热导率增大[17, 18]。宽度与GNR热导率的关系较为复杂，宽度增大使ZGNR 的热导率随先增加后减小，而AGNR的热导率随着宽度增大而增加[18]；当石墨烯纳米带边缘粗糙时，热导率随宽度增加而增大[19]；而Hu等人的研究结果表明GNR的热导率随着宽度的增加略有下降[20]。对于多层石墨烯，其热导率低于单层石墨烯，且热导率随着层数的
增多而减小[11]。当温度升高时，U过程增强，导致GNR的热导率降低[19, 21]。另外，缺陷[22]、手性[23]、掺杂[24, 25]均会影响GNR的热导率。
目前对GNR热导率的研究中对实际集成电路中的因素考虑甚少。在实际集成电路中，互连线会有一定的弯折角度，不同的弯折角度对石墨烯纳米带的热导率有不同程度的影响。本文针对弯折角度这一问题，采用非平衡分子动力学方法，使用Tersoff势计算了弯折GNR 在不同温度下的热导率。
2.计算方法与物理模型
本文使用LAMMPS MD软件包[26]采用非平衡分子动力学方法模拟GNR的热导率。在模拟过程中，采用在碳族化合物中得到广泛应用的Tersoff势[27]来描述石墨烯纳米带C-C之间的相互作用。分子模拟的步长设为0.2 fs，首先在NVE系综下使用Nosé–Hoover恒温方法运行0.34 ns以使体系达到热平衡状态，之后采用Müller Plath方法[28]计算热导率。根据模拟的需要，热平衡时的温度设为200 K到400 K不等。
Müller Plathe方法原理图如图1(a)所示，在GNR传热方向上，分为50层，第26层为热端，第1层和第50层为冷端，每16 fs从冷端取出动能最大的原子与热端动能最小的原子进行速度交换，这会在传热方向上产生温度梯度，并且体系的总能量和总动量保持不变。通过统计平均，可以得到体系的能流密度以及每一层的平均温度，由傅里叶定律就可以计算出热导率，即
2
J
T A
z
κ=
?
?
式中A为石墨烯纳米带传热方向的横截面积，选取碳碳键的键长0.142 nm[17, 18]作为GNR 的厚度来计算横截面积。
图1 不同弯折角度的GNR模型
(a) 弯折角度为0°的GNR (b) 弯折角度为30°的GNR (c) 弯折角度为45°的GNR
(d) 弯折角度为60°的GNR (e) 弯折角度为90°的GNR (f) 修饰后的弯折角度为90°的GNR
本文模拟了不同弯折角度的GNR的热导率，图1给出了不同弯折角度的GNR的模型图，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)依次为弯折角度为0°、30°、45°、60°和90°的模型，(f)为修饰后的弯折角度为90°的GNR。各GNR的尺寸如图1(d)(e)所示，宽度均为W（W=1.97 nm），长度则按传热方向分三段L1、L2、L3（L1=L2=L3=5.62 nm）。弯折角度为0°和60°的GNR，手性为Zigzag型；弯折角度为30°和90°的GNR，Zigzag型与Armchair型交替出现；弯折角度为45°的GNR，由于其结构特性，有一部分的边缘是不规则的。
3.结果与讨论
本文首先模拟了长度为11 nm的10-ZGNR和20-AGNR的热导率，其热导率分别为224 W/mk 和113 W/mk，与Guo等人的研究结果相一致[18]。由于模拟的GNR长度较短，得到的热导率也远小于实验测定值，为了便于与实验对比，本文研究了热导率随长度、宽度的变化规律，由此可以推算出较长和较宽的GNR的热导率。300K下，10-ZGNR的热导率与长度的呈线性关系（图2(a)）,这种线性关系是由声子的弹道传输性质决定的。当10-ZGNR的长度由7.9852
nm增加到38.6385 nm时，其热导率由167.4829 W/mk增长为753.2020 W/mk。
图2 (a) ZGNR热导率随长度的变化 (b) ZGNR热导率随宽度的变化GNR的热导率与宽度并没有特定的关系。一方面，宽度的增加使边缘效应减弱，这会使热导率增加；另一方面，U过程随着宽度增加而增强，这会导致GNR的热导率下降[29]。本文的结果表明，当温度为300K时，长度为5.6170 nm的ZGNR的热导率随宽度增加而下降（图2(b)）。当宽度由2.1846 nm增加到10.6385 nm时，热导率由141.1788 W/mk下降到87.3086 W/mk，这种变化趋势与Hu等人的结果相符[20]。
对于不同弯折角度的GNR的热导率，几种典型的温度分布曲线如图3。当弯折角度为45°时，两端的手性为Zigzag型，中间部分的边缘不规则。这种结构导致各处的温度梯度不同，两端的温度梯度较低，中间的温度梯度较高（图3(b)），由傅里叶定律可知，两端的热导率要高于中间的热导率。在使用Müller Plathe方法计算热导率时，当体系的各处温度梯度不同时，热导率是根据体系整体的平均温度梯度求得的[28]。对于弯折角度为90°的GNR，弯折角度过大导致弯折处温度梯度很高（图3(c)），热导率下降。为了减小弯折处温度跳变程度，本文对弯折角度为90°的GNR的边缘进行了修饰，使其角度平滑过渡（图1(f)），相应的温度分布如图3(d)所示。由图可知，修饰后的GNR在拐角处温度跳变较小，其在300K下的热导率为173.1671 W/mK,大于修饰前的125.4441 W/mK。这是因为修饰后的GNR在弯折处
平滑过渡，没有很大的弯折角，声子散射损失的能量小。
图3 不同弯折角度GNR的温度分布曲线
(a) 弯折角度为0°的GNR的温度分布曲线 (b) 弯折角度为45°的GNR的温度分布曲线
(c) 弯折角度为90°的GNR的温度分布曲线 (d) 边缘修饰后弯折角度为90°的GNR的温度分布曲线
集成电路应在很宽的温度范围内均能正常工作，如果将GNR用作集成电路的互连线，研究其热导率随温度的变化规律是十分必要的。如图4所示,对于不同弯折角度的GNR，温度的升高使声子的Umklapp散射作用不断增强，导致热导率下降。当弯折角度为90°时，热导率随温度的关系会出现一定的反常，这是因为U过程和声子散射都会对热导率产生一定的影响，弯折角度为90°时，声子散射最强烈，声子散射对热导率的影响较为突出，以至于
掩盖了温度对热导率趋势的影响。
图4 不同弯折角度GNR的热导率随温度的变化关系
当温度一定时，不同弯折角度的GNR的热导率区别很大。其中弯折角度为0°的GNR的热导率最高，弯折角度为60°的次之，之后依次为30°、45°和90°。由此可知，弯折会降低GNR的热导率，其原因是声子的弹道传输在弯折处被阻碍。然而热导率降低的程度并不是随着弯折角度的增大而增大，这是因为GNR的热导率与手性有关，在长度和宽度相同的情况下，ZGNR的热导率明显高于AGNR[18]，并且ZGNR和AGNR的热导率要高于其它手性GNR 的热导率[23]。石墨烯中声子沿不同方向发射的群速度决定了热导率的各向异性，声子在Zigzag型长度方向传播的速度要高于沿Armchair型长度方向传播的速度，因此ZGNR的热导率高于AGNR的热导率；对于其它手性的GNR，声子散射更强烈，导致热导率更低。弯折角度为0°和60°时，GNR的手性为Zigzag型，因此这两种GNR的热导率最高，在弯折角度为60°的GNR中，声子会在弯折处发生散射，所以其热导率会低与弯折角度为0°的GNR；弯折角度为30°和90°的GNR的边缘，Zigzag型与Armchair型交替出现，而后者由于散射角最大，声子散射损失的能量最大，所以其热导率最低；此外，弯折角度为45°的GNR 有一部分边缘不规则，导致声子散射加剧，故其热导率比弯折角度为30°的GNR低。
为了证明弯折GNR的手性会影响其热导率，接下来，计算了弯折角度为0°、60°和90°的GNR的热导率，这些GNR在传热主方向的手性为Armchair型。计算结果如表1，对于弯折角度为0°的GNR，Zigzag型的热导率明显高于Armchair型，与Guo等人的研究相一致[18]；对于弯折角度为60°的GNR，其各个部分的手性一致，因此Zigzag型的热导率仍明显高于Armchair型；对于弯折角度为90°的GNR，其各个部分的手性不一致，Zigzag型与Armchair型交替出现，可以认为两种模型在在手性方面基本相同，因此二者热导率相差不大。
表1弯折角度为90°、60°、0°时，不同手性的GNR的热导率
弯折角度
传热主方向的
手性
热导率(W/mK)
200K 250K 300K 350K 400K
90 Zigzag 105.9139 104.8996 125.4441 114.321 118.0119
90 Armchair 106.3757 128.0985 111.7851 109.8201 114.3798
60 Zigzag 265.7174 243.9714 222.4115 221.7847 215.2675
60 Armchair 151.6731 139.7322 134.1408 132.907 128.1825
0 Zigzag 272.5432 264.5924 239.2997 228.7133 228.5559
0 Armchair 193.1628 185.5503 184.4403 166.3023 155.1420 4.结论
本文采用非平衡分子动力学方法研究了不同温度下GNR的热导率随弯折角度的变化规
律。在室温下，长度小于40 nm时,导热处于弹道输运阶段，GNR的热导率与长度成线性关系，当10-ZGNR的长度由7.9852 nm增加到38.6385 nm时，其热导率由167.4829 W/mk增长为753.2020 W/mk。边缘效应与U过程的综合作用使GNR的热导率随宽度增加而下降，对于长度为5.6170 nm的ZGNR，当宽度由2.1846 nm增加到10.6385 nm时，热导率由141.1788 W/mk下降到87.3086 W/mk。高温下U过程的增强使GNR的热导率随温度升高而下降，但是当GNR弯折角度为90°时，由于其弯折角度很大，声子散射对热导率的影响掩盖了温度对热导率趋势的影响，导致此时热导率并不随温度的升高而下降。当GNR在热传导方向出现了弯折时，各处温度梯度不一致，其热导率也出现了不同程度的下降，下降程度是由弯折角度和边缘手性共同决定的，弯折角度为0°的GNR的热导率最高，弯折角度为60°的次之，之后依次为30°、45°和90°。对于弯折角度过大（如90°）的GNR，其热导率较低，在弯折处存在很大的温度跳变，进行边缘修饰可以提高其热导率并减小弯折处的温度跳变。
The influence of bending angle on thermal conductivity of
graphene
Han Mengdi Mei Jian Chen Cong Huang Yonghui Ke Qing Wu Jiaxian Zhang Yifan (Department of Electronic Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)
Abstract
In this letter, we employ the non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) method to investigate the relationship between the thermal conductivity of GNR (graphene nanoribbon) and bending angles under different temperature. Under the room temperatu re, the thermal conductivity of GNR shows a linear rise with the length which embodies the ballistic transport of the phonon while the growth of width leads to the decline of the thermal conductivity. The thermal conductivity of GNR drops with the rise of temperature. However, this law is incorrect when the bending angle is too large due to the influence of phonon scattering. When GNR meets some turns in the heat flux direction, the thermal conductivity drops more or less depending on the bending angles and the roughness of th e edges. In addition, the thermal conductivity of GNR with large bending angles is relatively low, and edge modification can increase its thermal conductivity.
Keywords：GNR, molecular dynamics, thermal conductivity, bending angle
PACS: 05.70.Ln
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石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 摘要：石墨烯作为一种新型碳纳米材料，具有巨大的比表面积、较高的机械强度和稳定的化学性质等优点，在诸多领域有广泛的应用。石墨烯因具有巨大的比表面积和高的反应活性，作为一种优异的吸附材料在水处理方向具有较好的应用前景。本文概述了石墨烯及其复合材料在水处理方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属离子和有机污染物质的吸附效果好，吸附容量高。最后对其在水处理中的应用前景做了展望。关键词：石墨烯；复合材料；吸附；水处理 引言 石墨烯（graphene，GN）自2004年发现以来,由于具有独特的结构与性能，很快成为新材料研究领域的热点。石墨烯是一种sp2杂化的碳原子以六边形排列的周期性蜂窝状二维碳质新材料[1]。石墨烯具有独特的物理化学性质[2]，除强度较高外，其理论比表面积竟高达2630m2/g，孔隙结构较丰富，这一点使其成为良好吸附材料的基础[3]。除此之外，还具有良好热导率和电导率[4]～[5]，可在传感器、电极材料、储氢材料等应用[6]。 石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、稳定的化学特性、巨大的比表面积等优点；石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，吸附能力更强。从而应用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料和过滤材料等，可以有效吸附水中的多种污染物。同时，由于制造石墨烯的石墨来源比较广泛，且石墨烯相比碳纳米管价格比较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯在水处理中的应用[7]～[8]。 本文介绍了石墨烯与水处理相关的主要性能，综述了石墨烯及其复合材料在水处理中的研究进展，并对当今石墨烯材料在水处理研究中遇到的挑战和问题做了进一步分析，对今后这一领域的研究作了展望。 1石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 1.1石墨烯 石墨烯因其吸附原理简单、费用低及处理效果好等优点广泛应用在水环境治理中。巨大的比表面积使石墨烯成为良好的吸附材料。作为吸附剂在水处中的相关研究主要集中在吸附两类污染物：有机物与无机阴离子[9]。水中的有机污染物易与石墨烯表面发生相互作用，形成稳定的复合物，进一步得到去除。因而许多学者主要研究了石墨烯吸附去除水中的有机染料。 Liu 等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、接触时间和浓度下对亚甲基蓝的吸附，研究发现石墨烯最大吸附量高达到153.85mg/g，吸附等温线符合Langmu模型[10]。Wu 等人研究了石墨烯对丙烯腈、甲苯磺酸及甲基蓝的吸附，与其他碳纳米材料相比，石墨烯表现出较强的吸附能力，甲基蓝因为有苯环和大分子，从而使石墨烯的吸附速度更快，吸附容量更大[11]。Li等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、反应时间下对氟化物的吸附性能，结果发现在298K下,当氟化物的初始浓度为25mg/L时,石墨烯的吸附量可达17.65 mg/g[12]。石墨烯对无机污染物的吸附研究使其在水处理领域的研究进一步扩大。
石墨烯散热片的应用及介绍 摘要：石墨烯材料因其辐射水平优于绝大数散热材料，配合纳米碳粉有特别好的散热作用，因此广泛用于解决电子器件因功耗增大导致的热问题。本文重点介绍了石墨烯散热片的基本知识，散热原理，应用案例。 关键词：石墨烯，散热片，导热系数 1.石墨烯散热片 1.1 石墨烯散热片概述 导热石墨片（TCGS-S）也称石墨烯散热片，是一种全新的导热散热材料，具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，平面内具有150-1500 W/m.K范围内的超高导热性能，片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。其分子结构示意图如下： 石墨散热片（TCGS-S ：ThermalFlexible Graphite sheet）的化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到（TCGS-S）石墨化薄膜，因为碳元素是非金属元素，但却有金属材料的导电、导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等一些良好的工艺性能，因此，在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。 1.2 石墨烯散热片的组成 界面导热材料是由基体材料和导热填料组成的复合材料。 A．基体材料 石墨烯散热片的基体主要有硅油、矿物油、硅橡胶、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯、
聚氨酯等。石墨烯基散热片的关键点是石墨烯与环氧树脂基体的复合。目前，行业内的供应商将环氧树脂和石墨烯材料采取分层剥离和喷涂，导热系数可达到80w/m.k. B．导热填料 石墨烯散热片以石墨烯或石墨烯与碳纳米管，金属等混合作为导热填料。现有技术很难大量制备高质量的单层石墨烯，而少层或多层石墨烯相对容易制备和较便宜，且其可保持 热传导性质，石墨层可自然地连接到散热片上，避免了应用中接触热阻的问题，导热效率较常规的纳米散热片提升20%以上。 1.3.石墨烯散热片的散热原理。 典型的热学管理系统是由外部冷却装置，散热器和热力截面组成。而散热片的重要功能是创造出最大的有效表面积，在这个表面上热力被转移并有外界冷却媒介带走。石墨散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。 图1 TCGS-S 石墨散热片热扩散示意图 2.石墨散热片的应用： 石墨散热片通过在减轻器件重量的情况下提供更优异的导热散热性能，能有效的解决电子设备的热设计难题，广泛的应用于PDP、LCDTV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED 等电子产品。 目前石墨散热片已大量应用于通讯工业、医疗设备、SONY/DELL/Samsung 笔记本、中兴小米等手机、Samsung PDP、PC 内存条，LED 基板等散热等。
石墨烯在超级电容器中的应用 前言本文对超级电容器分别从定义，工作原理，特点和分类做了简单介绍，然后以南开大学陈永胜教授的一篇综述介绍了石墨烯在超级电容器中的应用，并做了具体的例证分析。 关键词：超级电容器石墨烯修饰石墨烯 在储能领域的发展史上，大致可以分为第一代机械师储能，比如飞轮、发条，第二代化学式储能，如铅酸电池、镍氢镍镉电池以及锂离子电池等，第三代物理式储能如超级电容器。超级电容器其实在我们生活中无处不在，如交通领域，在火车、巴士、汽车、卡车，能源领域，如新能源、风能和太阳能、电网削峰填谷、能量回收，工业领域，如起重机、阀门、挖掘机以及一些重型设备等，在电子领域，如硬盘、存储器和后备电源。超级电容器已经是我们生活中必不可少的一部分，它在我们的社会中扮演着一个必不可少的角色，所以我们有必要深入地去了解一下什么是超级电容器。 超级电容器（supercapacitors），又称为电化学电容器（ECs）。是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件。它是一种功率型的储能器件，通过电极材料与电解液界面形成双电层，或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能。主要包括：电极材料、集流体、电解液 和隔膜，原理图如下：
超级电容器有如下特点：（1）超高比容量（0.1-6000F）。比传统电容器同体积电容量大2000-6000倍。（2）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用较多的铅酸电池、锂离子电池等充电通常需要几个小时。（3）超长寿命，充放电大于40万次。（4）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（5）温度范围宽：–40~ +70℃，一般电池是–20 ~ +60℃。（6）免维护，环境友善。 它和我们常见的化学式储能的电池相比，以及和传统电容器在功率密度和能量密度上的比较如下图所示： 超级电容器按机理可以分为两类：一类是双电层电容，依靠物理
石墨烯及其复合材料在水处理中的研 石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 摘要：石墨烯作为一种新型碳纳米材料，具有巨大的比表面积、较高的机械强度和稳定的化学性质等优点，在诸多领域有广泛的应用。石墨烯因具有巨大的比表面积和高的反应活性，作为一种优异的吸附材料在水处理方向具有较好的应用前景。本文概述了石墨烯及其复合材料在水处理方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属离子和有机污染物质的吸附效果好，吸附容量高。最后对其在水处理中的应用前景做了展望。关键词：石墨烯；复合材料；吸附；水处理 引言 石墨烯（ graphene， GN ）自 2004 年发现以来 ,由于具有独特的结构与性能，很快成为新材料研究领域的热点。石墨烯是一种 sp2 杂化的碳原子以六边形排列的周期性蜂窝状二维碳质新材料 [1] 。石墨烯具有独特的物理化学性质 [2] ，除强度较高外，其理论比表面积竟高达2630m2/g,孔隙结构较丰富，这一点使其成为良好吸附材料的基础[3]。除此之外，还 具有良好热导率和电导率[4]?[5],可在传感器、电极材料、储氢材料等应用⑹。 石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、稳定的化学特性、巨大的比表面积等优点；石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，吸附能力更强。从而应用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料和过滤材料等，可以有效吸附水中的多种污染物。同时，由于制造石墨烯的石墨来源比较广泛，且石墨烯相比碳纳米管价格比较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯在水处理中的应用 [7] ? [8] 。 本文介绍了石墨烯与水处理相关的主要性能，综述了石墨烯及其复合材料在水处理中的研究进展，并对当今石墨烯材料在水处理研究中遇到的挑战和问题做了进一步分析，对今后这一领域的研究作了展望。 1石墨烯及其复合材料在水处理中的研究 1.1石墨烯 石墨烯因其吸附原理简单、费用低及处理效果好等优点广泛应用在水环境治理中。巨大的比表面积使石墨烯成为良好的吸附材料。作为吸附剂在水处中的相关研究主要集中在吸附两类污染物：有机物与无机阴离子 [9] 。水中的有机污染物易与石墨烯表面发生相互作用，
石墨烯电热膜地暖的好处 汉高特是全球拥有核心技术的电热膜制造商，汉高特研发的石墨烯纳米碳无衰减电热膜，省电、环保、安全，安装在建筑领域可以使用50年以上。公司投资3000多万元，凭借高新人才和技术，自主开发全自动生产设备及独家配方。汉高特秉承欧洲设计理念与德国工匠精神的严谨与高品质，满足用户安全、舒适、健康、节能、环保的高科技供热需求。 地暖黑科技---汉高特电地暖城市护栏广告电热膜地暖是供暖方式之一，它是一种以电力为能源，通过红
外线辐射进行传热的新型供暖方式。电热膜是一种通电后能发热的半透明的聚酯膜。它具有耐高压、耐潮湿、承受温度围广、高韧度、低收缩率、运行安全、便于储运等优良性能。 方便经济，节约能源：石墨烯电热膜供暖系统可根据用户的需要，随时启动或关闭，运行十分经济。电热膜地暖占用层高低，升温快，三分钟电热膜可以升到45度，一两个小时地板就热了。电热膜地暖是在复合木地板下唯一不需要水泥回填的地暖，无形中电热膜地暖是当下最薄的电地暖。 可随意调节室温度：石墨烯电热膜供暖系统可通过在每个房间设置的交流电温控器，在设定的温度围，随意调整室温，使人们能像“节水”、“节电”那样灵活方便的“节暖”。 绿色环保，不环境污染：石墨烯电热膜供暖系统不产生烟尘和粉尘，没有噪音和因室空气对流引起的浮尘，符合城市规划要求，适合现代社会绿色环保的要求。 不占室空间，免维护，免维修：石墨烯电热膜供暖系统因为取消了暖气片和管路，不占用室空间。并且整个系统使用寿命长，免维护，免维修。 低温运行，安全可靠，系统工作时：石墨烯电热膜表面保持低温运行，最高温度不超过60摄氏度。因此不会发生烫伤、引起爆炸和火灾等事故，整个系统全部采用并联方式连接，运行稳定，可行性高。 可分户计费：石墨烯电热膜供暖系统适应多种用户的需求，可
石墨烯碳纳米管散热涂料技术 （1）项目背景 碳材料是目前人类认知的材料中功能最全、性能最优越、形式最多样的材料，是目前所有已知划时代材料所有不能比拟的，继硅时代之后21世纪甚至有望成为碳材料时代。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构， 每一次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有超强的力学性能和热传 导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6000W/m.K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3000W/m.K，是热导率最高的材料。同时，碳纳米管比表面积大，被誉为世界上 最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的 1.0。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送 密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料。 碳纳米管在功能涂料领域主要发挥以下主要作用： （1）导电填料：碳纳米管的导电阈值低至0.1wt%，而传统炭黑却高达15wt%以上，碳纳米管可以在极少量添加的情况下即达到目前炭黑型导电涂料的 性能，避免大量无机炭黑添加对涂料工艺性的负面影响。因此，碳纳米管在抗静电涂料、电磁屏蔽涂料、重防腐涂料等领域具有显著优势。同时还能利用其电致发热的作用，开发新型的节能加温、保温涂料，在家居地暖加温、仪器设备保温等新型市场具有极大的商业前景。 （2）散热填料：碳纳米管不仅具有超高的热导率，同时还具有接近理论黑体的辐射率，以此加强其红外辐射散热功能，因此新型散热涂料将有望改变目 前散热模式，大大提高热交换能力。 （3）力学增强填料：充分发挥碳纳米管一维结构的优势，在涂层内部形成增强网络，将使涂料力学性能大大提高，尤其是耐磨性、硬度等，甚至可形成
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 纳米技术课堂报告 课程名称：纳米技术 院系：航天学院微电子科学与技术系班级：21系 设计者：王立刚 学号：14S121034 指导教师：王蔚 哈尔滨工业大学
纳米结构下的石墨烯材料 第一章，纳米小尺寸效应 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用，尤其是在小尺寸方面的应用。 小尺寸效应：当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。 第二章，石墨烯的特性 一直以来，科学家们都认为单层的石墨烯是不可能稳定存在的。他们一直都错误地认为，若要用力将石墨烯从石墨上剥离下来的话，那么石墨烯的结构就会被这个力所破坏，而且固体的熔点也会随着粒子厚度的减小而非常快的减小，当粒子的厚度减小到几个原子层厚度的时候，固体就会熔化。另外，在二维晶体中由于内能的存在，原子的振动幅度会变得非常大，因此原子的错位将变得相当的严重，这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同，因此它不能保持单层的结构。 然而2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫在实验室中竟然成功地制备了稳定的石墨烯。这无疑是让世界震惊的，然而他们得到稳定石墨烯的方法却简单到不可思议。他们先通过已经知道的方法得到石墨片，这个石墨片相对而言是非常薄的，再将这个石墨片剥离得到更加薄的石墨薄片，然后用一种特殊的胶带将这个石墨薄片的两面都粘上，再将胶带撕开，这样石墨薄片就会被一分为二，变得更加薄。石墨薄片在这样的不断被剥离
石墨烯对水中重金属的处理技术 摘要：石墨烯作为目前自然界最薄、强度最高的材料，具有极大的比表面积、良好的化学稳定性以及表面活性，是一种高效的去除水中重金属的吸附材料。本文介绍了石墨烯材料的种类、特征，分析了去除废水中重金属离子的机理，应用情况，影响因素。指出了石墨烯作为吸附剂的潜在劣势，以及在水处理过程中的应用前景。 Abstract: As the thinnest and strongest material, graphene has huge surface area, excellent chemical stability and suface activity, which is an efficient absorption material for removing heavy metals from water. This paper introduces the types and characteristics of graphenematerials; analyzes the mechanism of graphenen materials removing heavy metal ion from waste water, the applications and influencing factors; points out the disadvantages and prospects of the graphene as an absorbent. 关键词：重金属污染石墨烯吸附水处理 前言 水乃生命之源，不管是对于人类，动植物，还是微生物，但是随着工业的发 展，各种各样的重金属离子被排入水体，随后被动植物吸收，又随着食物链浓缩， 进入人体，在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性， 也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急 性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，严重危害人类的健康。如日本发生的水俣病 和骨痛病等公害病，都是由重金属污染引起的。 面对亟待解决的重金属污染问题，寻求一种高效便捷的处理技术极其重要， 常见的重金属处理方法有化学沉淀法、混凝沉淀法、电解法、离子交换法、吸附 法和生物处理法等，其中吸附法操作简单，成本低廉，备受青睐，而吸附剂的选 择是吸附法的关键。
石墨烯在散热领域的应用 石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备（如LED灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 一直以来，大功率LED灯的散热外壳基本全部为铝，目前国内外在积极探索采用导热塑料代替。飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐蚀。而石墨烯导热塑料的导热率可从普通塑料的0.2W/mK提高至5-15W/mK，且抗腐蚀，已有Blue Stone 等公司开发出采用石墨烯导热塑料的大功率LED产品，并显示了优异的散热性能。另一方面，石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。而散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料，比如苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想
散热材料。 企业布局 1、东旭光电8000万控股石墨烯LED企业明朔科技 2017年5月10日晚间，东旭光电科技股份有限公司发布公告称，公司通过旗下全资子公司深圳旭辉投资控股有限公司向明朔（北京）电子科技有限公司（以下简称明朔科技）增资5700余万人民币。同时，公司旗下的控股子公司管理的泰州东旭石墨烯产业投资基金管理中心（有限合伙）出资2300万元受让明朔科技原股东部分出资的方式，合计取得明朔科技51％的股份。 有市场人士指出，本次收购不仅能够进一步拓展东旭光电石墨烯新材料在下游领域的产业化应用，丰富其石墨烯系列应用产品，加速推动其石墨烯产业化进程。 2、珈伟股份设子公司提早布局石墨烯 2017年4月5日，珈伟股份2016年度业绩说明会在全景网举行时，总裁李雳介绍称，为了完善产品线布局，更好的提升储能产品的性能，公司三年前投资设立子公司拓展石墨烯业务。目前该公司厂房、设备等均已到位，已具备一定规模的量产能力。并表示，随着公司加速推进以新型锂电池技术为核心的储能业务，以及整体锂电池行业对石墨烯电极材料的需求扩大，公司的石墨烯业务有望在未来几年当中迎来放量增长的机会。
人工合成石墨导热膜是近年来刚刚兴起的最先进的导热材料 常用的抗信息泄露(电磁屏蔽)材料以金属或合金为主,如铜、铁、镍、铁-硅-硼合金等,这些材料在很多领域有广泛应用,但是也存在一些不足,如密度大、施工较复杂、质地坚硬较难成形等。膨胀石墨(EG)密度小、质软、热稳定性和化学稳定性良好,具有好的导电性,对高频段(30 MHz以上)电磁辐射有较高的屏蔽效能。 然而,由于石墨本身是抗磁性的,低频段电磁屏蔽效能相对较低,为了改善低频的屏蔽效能,可以将磁性金属或合金微粒负载到膨胀石墨中,调节复合材料电性质和磁性质,得到宽频范围电磁屏蔽效能优异的材料。课题组前期工作表明,对于300kHz的低频电磁波,在EG上植入磁性金属或合金纳米颗粒可以把电磁屏蔽效能从原来的43 dB提高到53～72.5 dB,而对高频段电磁屏蔽效能没有显著影响；金属质量分数在30%左右时,材料的屏蔽效能较好。 全球第一条石墨烯生产线近日在浙江省慈溪市慈东滨海区正式开工建设，项目一期投资2.1亿元，预计年产石墨烯300吨。据了解，这也是全球首个石墨烯规模化生产项目。 据有关专家介绍，石墨烯是目前世界上已发现的最薄、最坚硬的纳米材料。它不但可以用来开发制造纸片一样的超轻型飞机材料，还能做出超坚韧的防弹衣。在锂电池、晶体管、触摸屏、基因测序等领域，石墨烯也大有用武之地。如果平板电脑的处理器采用石墨烯材料来制造，可以3个月都不用充电。专家分析，石墨烯的市场潜力可达上百亿元。 人工合成石墨导热膜是近年来刚刚兴起的最先进的导热材料。该材料具有极高导热系数（~1500W/m-K），且不含其他填料及粘结剂，具有很高的稳定性，可以在较小间隙，非绝缘环境中广泛使用。它的商用化，在导热材料领域是一种革命性技术应用突破。 据悉，从2011年以来，中石伟业与德国专业公司开展了为期一年的联合技术研发合作,围绕人工石墨的原材料控制，工艺制程，参数控制，设备选型等方面进行了深入研究研发并生产的VanoC人工合成石墨膜是在极高温度环境下，通过人工合成的方法，制得的一种高结晶态石墨膜，它在膜结晶面上有极高导热率:600-1600W/m-k,比铜好1-3倍，比天然膨胀石墨膜要好2-5倍，是十分理想的均热材料，用于消除局部热点，平滑温度梯度；可以在热点和散热体之间充当热传输桥梁；它在厚度方向可以达到6-15W/m-K，可与导热脂、相变材料比拟，可以用来替代导热脂和导热相变材料，从根本上解决热界面材料老化问题。VanoC同时具有非常好的电磁屏蔽性能，在10M-10GHz区间，屏蔽效能可达到90dB以上。 VanoC材料有三种主要用途：1.作为优质热扩散材料，在智能手机和平板电脑中，消除热点，增加产品舒适度；2.作为热界面材料，代替硅脂，在大功率模块和LED等中，将热有效传递给散热体；3.作为超薄被动“热管”，在高密度结构如手机笔记本中，将“热端”的热热传递到一定距离外的“冷端”。中石公司人工石墨膜的应用方面已拥有多项发明专利，成为该领域内知识产权领跑者。 VanoC具备薄、轻的优点，其根据厚度划分，共有0.0125mm、0.025mm、0.07mm、0.1mm4个系列化产品，让电子设备产品可以实现小型化、薄型化以及轻型化，并在较小间隙且非绝
一．特性机理： 在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。 对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 由石墨烯的导热系数经验公式 可得如下图表 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。 由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。 二．应用：
由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比， 1加热速度快（1min内达到稳定工作温度，而传统取暖如油汀需要20min才能达到稳定温度）； 2电热辐射转换效率高（经第三方检测，电热辐射转换效率达80%以上），与传统取暖方式相比可节能省电； 3石墨烯加热膜是整个面加热，温度均匀分布； 4石墨烯加热膜与某些对人体有害辐射的取暖方式相比是安全的。 例子： 1制作理疗护具 石墨烯的高导电、导热性能应用在理疗护具领域，利用石墨烯在发热过程中产生的远红外线，与人体波长相同，产生共振作用，形成热反应，深入皮下组织，使毛细血管扩张，促进血液循环，强化组织新陈代谢，提高机体免疫能力，排除疲劳，缓和酸痛，从而起到消炎、镇痛的理疗保健作用。 2制作发热服 石墨烯智能发热服将石墨烯独特的导热性能和日常穿戴完美结合，为人体营造温暖舒适的感受，通过手机端app的控制可以使得发热服迅速升温，产生对人体有益的远红外线，为生活带来更好的健康理疗体验，重新定义温暖。 散热： 石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。 1石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备（如LED灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 例子：飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐蚀。 2石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料 例子：苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。
石墨烯防腐散热涂料绝非概念 广纳纳米对于石墨烯涂料的研究从未停止过。石墨烯作为一种新型纳米材料，是驱动涂料行业技术创新的重要原材料。2017年石墨烯涂料获得重大突破，在各行业中开始逐步运用，打破国外垄断，石墨烯涂料迅速发展。 石墨烯在涂料中应用 石墨烯在涂料中的应用主要表现为电子领域中的导热散热，海洋领域中的重防腐处理。在涂料中利用石墨烯的物理阻隔性能，可提高涂料的防腐、防污、阻燃效果；利用其高导电、高导热性能，可开发导电涂料、散热涂料、电磁屏蔽涂料等。 1、石墨烯重防腐 11月23日，在舟山500千伏联网工程现场，十余名工作人员正在给地面堆放整齐的一根根铁塔管杆喷刷“石墨烯重防腐涂料”，为这座在建的世界第一高塔穿上一身防腐“铠甲”。 长期以来，如何在湿度和盐度较高的海岛环境，减缓金属物的锈蚀，防止表面剥落，保证设备内部结构不受破坏，从而延长杆塔寿命，是沿海地区供电部门研究的一项重要课题，石墨烯重防腐涂料的应用，无疑是解决这个难题的有力方案。 2、石墨烯散热 石墨烯本身热导率高，高比表面积，能够增大涂层散热面积，广纳纳米充分运用这一点，研发出GN-706石墨烯高导热散热涂料，将散热涂料的导热系数提高到20W/M.K，散热膏的导热系数是2W/M.K与石墨烯散热涂料导热性能相差10倍。GN-706石墨烯高导热散热涂料在LED，舞台设备，电子设备均有应用。广纳纳米还做了个有趣的小实验，让更多人能够亲眼见证GN-706石墨烯高导热散热涂料的导热速度。 没有做石墨烯涂层的铝板与做了石墨烯涂层的铝板传热速度是有明显的差异，并且，做了石墨烯涂层，热量传导较为均匀，极大的提高了散热效率。 广纳纳米特有 1、航空级纳米复合陶瓷技术工艺，功效更稳定。 2、独特成熟的纳米陶瓷分散工艺技术，分散更均匀稳定;纳米微观颗粒间结合界面处理高效稳定，确保纳米复合陶瓷涂层与基材结合强度更好性能更优异稳定;纳米复合陶瓷的配
石墨烯在热领域的特性 及利用 Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】
一．特性机理： 在石墨烯中，碳原子在不停的振动，振动的幅度有可能超过其厚度。其中最重要的石墨烯的晶格振动，不仅仅影响石墨烯的形貌特征，还影响的石墨烯的力学性质、输运特性、热学性质和光电性质。 对石墨烯的热学性质的影响主要是由于石墨烯晶格振动。 由石墨烯的导热系数经验公式 可得如下图表 从图中看出来石墨烯的导热系数随温度的增加而减小。在同一温度下，导热系数随石墨烯的宽度的增加而增加。 由经典的热传导理论可知，随着温度的升高，晶格振动加强，声子运动剧烈，热流中的声子数目也增加。声子间的相互作用或碰撞更加频繁，原子偏离对平衡位置的振幅增大，引起的声子散射加剧，使导热载体(声子)的平均自由程减小。这是石墨烯的导热系数随温度升高而降低的主要原因。对于石墨烯，电子的运动对导热也有一定的贡献，但在高温情况下，晶格振动对石墨烯的导热贡献是主要的，起主导作用。 二．应用： 发热： 由石墨烯制成的加热膜与传统取暖方式相比， 1加热速度快（1min内达到稳定工作温度，而传统取暖如油汀需要20min才能达到稳定温度）； 2电热辐射转换效率高（经第三方检测，电热辐射转换效率达80%以上），与传统取暖方式相比可节能省电； 3石墨烯加热膜是整个面加热，温度均匀分布； 4石墨烯加热膜与某些对人体有害辐射的取暖方式相比是安全的。 例子： 1制作理疗护具 石墨烯的高导电、导热性能应用在理疗护具领域，利用石墨烯在发热过程中产生的远红外线，与人体波长相同，产生共振作用，形成热反应，深入皮下组织，使毛细血管扩张，促进血液循环，强化组织新陈代谢，提高机体免疫能力，排除疲劳，缓和酸痛，从而起到消炎、镇痛的理疗保健作用。 2制作发热服 石墨烯智能发热服将石墨烯独特的导热性能和日常穿戴完美结合，为人体营造温暖舒适的感受，通过手机端app的控制可以使得发热服迅速升温，产生对人体有益的远红外线，为生活带来更好的健康理疗体验，重新定义温暖。散热： 石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。 1石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备（如LED 灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。 例子：飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐蚀。 2石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料 例子：苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。
石墨烯在超级电容器中的应用 姓名：邓邦为学号:201428003633024 培养单位：成都有机所 前言本文对超级电容器分别从定义，工作原理，特点和分类做了简单介绍，然后以南开大学陈永胜教授的一篇综述介绍了石墨烯在超级电容器中的应用，并做了具体的例证分析。 关键词：超级电容器石墨烯修饰石墨烯 在储能领域的发展史上，大致可以分为第一代机械师储能，比如飞轮、发条，第二代化学式储能，如铅酸电池、镍氢镍镉电池以及锂离子电池等，第三代物理式储能如超级电容器。超级电容器其实在我们生活中无处不在，如交通领域，在火车、巴士、汽车、卡车，能源领域，如新能源、风能和太阳能、电网削峰填谷、能量回收，工业领域，如起重机、阀门、挖掘机以及一些重型设备等，在电子领域，如硬盘、存储器和后备电源。超级电容器已经是我们生活中必不可少的一部分，它在我们的社会中扮演着一个必不可少的角色，所以我们有必要深入地去了解一下什么是超级电容器。 超级电容器（supercapacitors），又称为电化学电容器（ECs）。是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能元件。它是一种功率型的储能器件，通过电极材料与电解液界面形成双电层，或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能。主要包括：电极材料、集流体、电解液
和隔膜，原理图如下： 超级电容器有如下特点：（1）超高比容量（0.1-6000F）。比传统电容器同体积电容量大2000-6000倍。（2）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用较多的铅酸电池、锂离子电池等充电通常需要几个小时。（3）超长寿命，充放电大于40万次。（4）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（5）温度范围宽：–40~ +70℃，一般电池是–20 ~ +60℃。（6）免维护，环境友善。 它和我们常见的化学式储能的电池相比，以及和传统电容器在功率密度和能量密度上的比较如下图所示：
石墨烯在涂料领域中的应用（1） 1 概述 1.1 石墨烯定义石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的新型单层片状结构的二维(2D)材料，是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜。碳原子核外层电子排布为1s22s22p2，sp2杂化是由1个s轨道和2个p轨道杂化形成的杂化轨道。维(dimension，简写为D)表示长、宽、高、厚等尺寸。对纳米材料，0D表示纳米粒子；1D表示纳米线，如碳纳米管等；2D表示纳米尺寸的薄膜；3D是表示纳米复合材料。 1.2 石墨烯结构特性石墨烯晶体材料具有“至薄、至坚”、优良的热导体和电子迁移率等特性。 1.2.1 “至薄”晶体材料石墨烯是世界上迄今发现的“至薄”晶体材料，石墨烯薄膜只有1个碳原子厚度。10万层石墨烯叠加起来的厚度约为1根头发丝的直径；300万层石墨烯薄膜叠起来只有1 mm厚。 1.2.2 “至坚”晶体材料石墨烯是迄今发现的世界上力学性能最好的材料之一。表征石墨烯在外应力作用下抵抗变形能力大小的模量可达1 T(1012)Pa；反映石墨烯受力时抵抗破坏能力大小的强度约为130 G(109)Pa。 1.2.3 优良的热导体和电子迁移率石墨烯的热导率达5 000 W/(m ·K)，是良好的导热体。石墨烯独特的载流子特性，使其电子迁移率达到2×105 cm2/(V·s)，超过硅100倍，且几乎不随温度变化而变化。 1.3 应用前景独特的结构特点加上“极端突出”性能，使它的用途引起人们超高的期望：制造高效太阳能电池；超轻型航天航空飞行器材料；超坚韧的防弹衣；甚至有近乎科幻色彩的展望——可能制超长“太空电梯”缆线。预测石墨烯正在或将要给社会带来革命性巨变；对石墨烯用途，描绘了一幅幅商机无限的图画，在全球研究热度持续升温!对石墨烯在导电、防腐、阻燃、导热和高强度等功能涂料中的应用也勾画了多彩的前景。1.3.1 提高涂料防腐性石墨烯提高涂料防腐性：有物理防腐和电化学防腐多重作用。
石墨烯在超级电容器领域的应用 超级电容器的容量可达几百甚至上千法拉，作为一种新型电化学储能单元，具有高度可逆，充电时间短，使用寿命长，温度特性好，节约能源和绿色环保等优点，目前已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域有广泛的应用。 对于具有随机性和间歇性等特点的可再生能源发电，超级电容器应用于风力发电中可以提高风电场的运行安全。但是，超级电容器在新能源领域的应用发展经历了几十年的坎坷，虽然其应用形式与电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。 然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可能对新能源产业的发展产生极大的推动力。虽然研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。 超级电容器的市场格局 根据2014年美国IDTechEX数据统计，全球超级电容器的市场规模从2010年的4.8亿美元增长到2014年的11亿美元，发展十分迅速。 在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。国外主要的生产企业有：美国的Maxwell公司，俄罗斯的Econd公司、Elit公司，日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司，韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek 公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。 目前中国厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。国产超级电容器已占有中国市场60%~70%的份额。 石墨烯与超级电容器 众所周知，电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。截至目前，研究和应用最广泛的超级电容器电极材料主要是碳质材料，包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等，其中最为成熟的是活性炭。然而，它们的性能指标未来很难满足不断发展的微型能源系统的实际使用要求。 石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料符合高能量密度和高功率密度的超级电容器
石墨烯及其衍生物在水处理中的研究进展 石墨烯具有比表面积大、载流子迁移率高等众多优异特性。这些特性吸引国内外科研工作者开展与其相关的各领域研究，并取得一定的研究成果。文章综述了石墨烯及其衍生物在水处理中的研究进展，详细介绍了作为吸附剂和光催化劑的国内外研究成果并对其进行分析总结。 标签：石墨烯；吸附剂；光催化 1 介绍 工业、农业和居民对淡水的需求逐年增长，产生的废水使全球大量水资源受到污染，这些受污染的废水亟需解决。吸附剂能去除可溶性和不溶性的有机、无机和生物污染物，是一种重要的废水处理技术。研究发现石墨烯具有优异特性，其比表面积高达2630m2/g[1]，可以为污染物提供丰富的吸附点位，成为新一代吸附剂的研究热点。光催化技术能利用太阳光中的紫外线或可见光，可以节约污水处理的能耗。目前使用的常规光催化剂存在带隙能量较大、电子-空穴对复合率高、量子效率低等缺点，石墨烯的比表面积大同时载流子迁移率高达200000cm2/（V·s）[1]，石墨烯成为新一代光催化剂的研究热点。本文主要综述分析石墨烯及其衍生物在水处理中吸附和光催化领域的应用研究进展，介绍了一些最新研究成果并进行分析。 2 石墨烯及其衍生物作为吸附剂 纳米吸附剂具有相当大的污染物结合能力，能够吸附具有不同分子大小、疏水性和形态特性的污染物，吸附饱和后进行化学再生。纳米颗粒具有较高的表面积，与不同化学物质相互作用的活性位点数较多。目前，一些科研工作者将研究热点集中在石墨烯，由于其独特的性质，使石墨烯及其衍生物成为污水处理的新可能。与碳纳米管相比，石墨烯材料作为吸附剂有几个优点：（1）单层石墨烯材料具有两个平面可用于污染物吸附。而碳纳米管的内壁不被吸附物所接近。（2）石墨烯氧化物（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）可以通过石墨的化学剥离容易地生产制备，具有大量的含氧官能团，并且不需要额外的酸处理以赋予GO亲水性[2]。这些官能团是吸附金属离子的主要原因之一。 众多研究使用GO作为金属离子的吸附剂，GO具有与金属离子相互作用的含氧官能团，优于原始石墨烯对金属离子的吸附。GO和石墨烯纳米片（GN）可以与金属氧化物结合形成复合材料。具有GO和金属氧化物的复合材料通常具有特定的特征，并被用作去除不同污染物的有效吸附剂。如表1研究结果表明石墨烯及其衍生物复合材料吸附剂均比未改性的常规吸附剂的吸附量高。 3 石墨烯及其衍生物作为光催化剂 由于常规的生物处理方法在降解有毒有机废水方面无效，在紫外线或可见光
石墨烯膜新技术，手机散热新方案文/本刊记者宋莉 散热，对于手机来说至关重要。随着5G时代的到来，手机散热的重要性进一步突显，已经成为全行业共同关注的新热点。如何突破传统技术，实现手机散热效率的有效提升，成为手机厂商必须要解决的问题。深圳市诚悦丰科技有限公司的总经理梁小锋是手机零部件技术研究领域的精英人才。他将石墨烯这种新型的碳纳米材料应用到手机散热领域，并通过解决一系列技术和工艺难题，研发出了一种石墨稀胶膜复合散热片及制作工艺，有效地改善了传统石墨低效率的散热 方式，提升了手机显示屏、CPU、电池等发热器 件的散热效率，同时实现了大规模的量产商用， 大幅度地推动了手机散热技术的发展进步。 石墨烯打开手机散热的新思路 电子产品的散热问题一直是阻碍电子科技 进步的重要原因。以手机为例，过高的温度会降 低手机的性能和寿命，严重影响消费者的使用体验。为控制手机温度，手机制造商尝试了各种方法，例如采用大面积的金属背板、限制手机最高 温度、贴附散热石墨板、添加散热风扇等等。但 遗憾的是，这些方法要么限制了手机性能，要么 增加了手机重量，效果都不尽如人意。随着大屏 智能手机的岀现以及大型3D手游的流行，手机 能耗直线上升。这也就意味着，手机全面运行时 的温度会更高，手机散热问题也变得更加严峻。 行业精英人才梁小锋表示，手机的高智能化时代 正在到来，手机制造领域亟需更加高效、实用的 散热方案以应对消费者不断上升的消费需求。 在手机散热问题持续困扰行业的情况下， 石墨烯材料的应用无疑是一个振奋人心的消息。 石墨烯是一种从石墨中提取出来的二维碳纳米材料，具有极高的热导率和热辐射系数。它由英国 科学家安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃消洛夫共 同发现，两人还因此获了2010年度的诺贝尔物 理学奖。石墨烯材料从此声名大噪，引起了世界 各国研究人员的广泛关注。多年来，梁小锋一直 关注世界科学的前沿动态，并尝试把最尖端的技 术应用到手机零部件的研发制造中来。石墨烯为 梁小锋的创新研究打开了全新的思路，他非常看 2019年第1期I中国科技财富