哪些行业迫切需要高质量的无缺陷石墨烯片

作者：Akanksha Urade，IIT Roorkee博士学者和石墨烯与2D材料科学作家

为了充分发挥石墨烯改变众多行业的潜力，必须实现用于大规模生产的无缺陷石墨烯薄片的广泛可用性。如今，大多数公司只生产低质量的石墨烯甚至石墨微片，与大而薄且几乎无缺陷（LTDF）的石墨烯相比，其质量较差。这是阻碍许多人所说的石墨烯时代的最重要因素。

根据ISO标准，目前世界上还没有商业化的石墨烯生产可以合成LTDF石墨烯薄片，行业需要使现有的高科技/高价值产品更好，并推出全新一代产品。Avadain已经证明并正在扩大到大规模生产，这是一种革命性的，可扩展的和环保的制造工艺，以生产大型（平均应用55-100μm2），薄（平均<1纳米）和几乎无缺陷的工业数量石墨烯薄片。Avadain认为，有数百种实际应用可以从高质量的石墨烯薄片中受益，但由于LTDF石墨烯薄片的几乎不存在，目前无法获得。

本文旨在进一步阐明其中一些潜在应用：

电动汽车

锂离子电池（LIB）是我们现代社会的重要组成部分，它们正迅速成为电动汽车（EV）的首选电池。它主要由锂金属氧化物作为阴极，锂石墨复合材料作为阳极组成。然而，由于充电过程中金属电极上的枝晶生长，这些类型的电池存在安全问题。这些树突一直延伸到穿透隔膜，引发短路，并可能导致电池爆炸或火灾。为了抑制树突，为锂金属阳极创造新的宿主至关重要，其中一种材料是高质量的石墨烯。在《先进能源材料》封面上发表的一项研究中，中国四川大学的研究人员报告说，在无缺陷石墨烯和还原氧化石墨烯（rGO）的比较评估中，无缺陷石墨烯不能实现树枝状生长，而rGO却实现了。研究人员得出结论，石墨烯缺陷是枝晶发展的催化剂。石墨烯主体中的这些缺陷侵蚀了电解质，导致树突的早期发展。由此可以得出结论，无缺陷石墨烯将减少或消除LIB中的树枝状生长。

医疗保健行业

石墨烯是生物传感器、药物输送和植入式设备（如牙科植入物和起搏器）最有前途的新材料之一。然而，随着各种标记为“石墨烯”的“黑火药”的市场可用性，石墨烯的毒性，健康/环境影响和生物相容性一直是争论的前沿。新加坡国立大学科学家的一项研究坚定地确定，引起毒性的是类石墨烯材料中的杂质，而不是石墨烯本身。不使用有害化学物质生产的石墨烯具有生物相容性、高导电性和柔韧性，使其成为用于各种生物医学应用的完美材料。

建筑和建筑材料

GO由于其可分散性而越来越多地被用作改善水泥和混凝土性能的添加剂。然而，GO材料具有显着的局限性，可能会限制其在水泥基复合材料中的有效性。它的晶体性较低，缺陷程度高，机械性能明显比LTDF石墨烯差。因此，LTDF石墨烯薄片在水泥复合材料中的使用预计将增加其结构性能。例如，阿德莱德大学的研究人员透露，LTDF石墨烯薄片（>55 cm2）从7天开始提高胶凝复合材料的强度，最小剂量仅为0.07%。由于原始石墨烯的无缺陷和超大尺寸，水泥水化程度的增加以及水泥颗粒之间距离的减少。

柔性电子产品和触摸屏

稀土材料氧化铟锡（ITO）因其强大的光透射率（85%）和低薄层电阻（15 Ω/平方）而成为太阳能电池、触摸屏和显示器中透明电极的行业黄金标准。然而，ITO不能用于灵活的应用，因为它是机械刚性的。LTDF石墨烯薄片有可能彻底改变柔性和透明电气设备的格局。根据埃克塞特大学的一项研究，化学功能化的原始石墨烯超过了ITO由于其8.8 Ω / sq的低电阻率，高光学透明度（仅吸收2.3%的可见光）以及最重要的是灵活性。LTDF石墨烯薄片至关重要，因为例如，还原氧化石墨烯（rGO）薄膜的电阻范围为1 k至70 k Ω /sq（对于80%透射率），明显高于ITO，因此不能被认为是柔性电子产品的可行替代品。这些特性使LTDF石墨烯薄片成为ITO的可行且有吸引力的替代品。

水处理和净化 由活性炭或GO制成的吸附过滤器由于其高表面积而广泛用于现代水净化系统。这些过滤器的问题在于它们不可重复使用，丢弃时会造成环境问题。也许更重要的是，新加坡国立大学的一项研究表明，GO本身可能会将毒素作为其制造过程中的残留物。因此，虽然GO可以作为过滤材料，但它也会给饮用水带来新的危害。无缺陷石墨烯表现出高吸附效率和导电性，优于传统的活性炭和/或GO基过滤器。此外，高质量的石墨烯使水过滤器具有导电性，允许通过电流通过吸附剂材料来去除吸附污染物，如染料、盐、细菌和其他杂质，从而重复使用过滤器。

航空航天和国防

具有高屏蔽效果的超薄、高强度、轻质和柔性 EMI 屏蔽材料特别适用于飞机、无人机和航天器等众多应用。决定电磁干扰（EMI）屏蔽材料的关键标准是高导电性、耐腐蚀性和低密度。因此，LTDF石墨烯在航空航天领域具有巨大的潜力。由于其卓越的品质，LTDF石墨烯复合材料可用于防弹，减轻防护装甲的重量，制造轻便，舒适和防护头盔。

防腐涂料

金属腐蚀是一个持续存在且重大的全球性问题，每年使美国工业损失超过200亿美元。石墨烯也是已知用于保护金属免受腐蚀的最薄的涂层。研究发现，覆盖在铜、镍或大多数其他表面上的LTDF石墨烯可将耐腐蚀性提高20倍。由于LTDF石墨烯是不渗透的，因此涂层可作为对水，氧气和其他腐蚀性元素的出色屏障。

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