石墨烯材料的应用及研究现状

赵莹莹

（河南师范大学化学化工学院，河南新乡 453007)

石墨烯及其衍生物由于性质特别，应用范围较广泛。可作为用于腐蚀控制和保护的新型材料，可有效地防护一些金属结构的腐蚀现象；作为高能量-功率密度超级电容器的抗压电极材料，可以帮助超级电容器更好的储存能量；用于电子设备热管理的实验研究，可以加强电子设备的散热能力，延长设备使用时间。

1 石墨烯材料的应用及研究现状

1.1 作为用于腐蚀控制和保护的新型材料

腐蚀可以定义为材料与周围环境相互作用后的变质[1]。就全球年度损失估计为2.5万亿美元而言，这是一项全球性挑战，对世界经济产生了巨大影响。此外，酸洗、酸化等多种工业实践还促进了金属表面与浓酸的直接接触，从而严重腐蚀金属和合金[2]。在含有氯离子的盐分介质存在的情况下使用金属材料，也会导致对金属结构的侵蚀[3]。在用于腐蚀防护的不同方法中，最常用的是防腐蚀涂料和腐蚀抑制剂中，石墨烯材料就是较好的选择。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。表面积较大的石墨烯和石墨烯衍生物具有良好的疏水性、耐化学性、稳定性和高机械强度，可作为防腐涂料中的良好添加剂。另一方面，氧化石墨烯由于其含氧官能团的存在，其亲水性质显示出高的水分散性，从而增强了分散性和缓蚀性能。石墨烯及其衍生物作为一类新的腐蚀控制材料，显著特征就是作为耐腐蚀涂料和抑制剂。防腐涂层通常包括具有不同性质和目的的多层不同涂层，而由于石墨烯具有出色的稳定性、抗磨损性、抗渗性及出色的抗湿透明性，使得石墨烯膜具有抗氧化性能，可保护下面的金属表面免受周围环境的影响[1]。

1.2 作为高能量-功率密度超级电容器的抗压电极材料

随着全球经济的快速发展，环境污染和化石燃料的枯竭等现象的发生都证明人类需要一些可持续的可再生能源。因此，人们迫切需要能量转换和存储相关的新技术[4]。电化学双层电容器也称为超级电容器，通过在电解质表面形成双层电解质离子来存储能量，具有高功率密度，超长循环寿命和安全运行的特点，被认为是下一代潜在的能量存储系统。而石墨烯作为最年轻的碳同素异形体，由于其理论表面积大，固有电导率高和化学稳定性高等优点，已成为电化学双层电容器的新型电极材料[5]。因此，设计和合成在高压下能很好地保持其比表面积和孔隙的石墨烯材料具有重要意义。

高能量-功率密度超级电容器的设计需要具有高表面积，适合离子扩散的合适孔径以及在高压压缩下的机械强度的先进电极材料。对于具有平面结构的常规石墨烯材料，高压压缩不可避免地导致表面积减小和由于重堆积而导致的缓慢的离子扩散。而高度皱折的氮掺杂石墨烯材料作为超级电容器的电极材料的应用在离子液体中显示较高的能量密度，具有出色的功率密度和循环稳定性。高度皱折的石墨烯材料凭借其独特的皱缩结构和出色的抗堆叠性能，使它们在强烈压缩后仍能保持较大的表面积，从而保持较高的比电容[6]。

1.3 用于电子设备热管理的实验研究

在这个时代，许多工业都渴望出现一些能够承受高温范围的电子组件，因为过度使用电子设备会散发大量热量，从而降低其系统性能并缩短其使用寿命。为了维护电子设备，使其能够在正常温度范围内工作，工程师需要依靠主动冷却系统和被动冷却系统，主动式冷却系统需要散热器与不同的金属散热片直接接触，并且需要一个风扇装置以释放最大热量[7]，但是这些系统对于高环境温度范围的效率不高。因此，这种冷却系统存在局限性。近年来，使用相变材料的潜热热能存储是电子设备被动冷却领域中出现的最新方向之一。

在正常的相变材料下，电子设备工作具有很高的蓄热能力，它们可以在相变过程中吸收或释放热能[8]。但是，相变材料具有较低的热导率，这会影响相变材料的充电和放电持续时间。为了增加其导热系数，在相变材料中添加石墨烯纳米填料等，因为石墨烯在室温下具有较高的热导率，所以可通过使用含有石墨烯纳米颗粒的相变材料进行电子组件的热管理[9]，因此，研究石墨烯的具有很高的价值。

2 结语与展望

石墨烯及其衍生物具有较好的特性，可在现实生活中应用于很多方面，在材料等领域推动了科技的进步，然而在实际应用方面还有待加强，总之，石墨烯研究前景很广阔。