【石墨烯，被譽為“黑金”“新材料之王”。中國的石墨基礎儲量約占全世界的三分之一（還有數(shù)據(jù)稱占一多半），由石墨衍生出來的石墨烯作為最前沿的新材料，用途太大、太神奇了，乃至有科學家預言，石墨烯將“改變21世紀”。那么，作為主導未來的戰(zhàn)略新興材料，石墨烯在國計民生和環(huán)保領域有哪些可觀的應用前景呢？】

“新材料之王”橫空出世

石墨烯是一種由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的物質(zhì)，單純由碳元素構(gòu)成。半個多世紀以來，科學界曾經(jīng)普遍認為這樣的二維材料是一種假設性結(jié)構(gòu)，難以穩(wěn)定地單獨存在。直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和他的學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出單層的石墨烯，從而證實它可以單獨存在。兩人也因為“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，僅僅在6年后就共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

這次獲獎驚動了科學界和產(chǎn)業(yè)界，之后幾年間石墨烯的研究在許多領域取得了進展。由于碳原子之間化學鍵的特性，石墨烯很頑強：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，為它帶來了全新的電學屬性。人們目前已經(jīng)知道石墨烯是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的良好導體，電阻率比銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。由于它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待用來發(fā)展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。

業(yè)界認為，石墨烯在電子信息、光通訊、新材料、節(jié)能環(huán)保、醫(yī)療健康、特種航天以及特種等涉及國計民生和國家安全的領域，有著廣闊的應用前景，有望帶來革命性的技術(shù)進步。未來石墨烯產(chǎn)業(yè)市場潛力巨大，歐盟、美國、韓國等國家和地區(qū)紛紛將石墨烯新材料研究提升至戰(zhàn)略層面。那么，石墨烯材料在節(jié)能和環(huán)保領域有何應用前景呢？

石墨烯“篩子”能淡化海水

淡水資源缺少的問題正在威脅著世界上越來越多國家的飲水安全。隨著氣候變化的加劇，不少城市的淡水供應量將不斷下降。許多國家開始將目光轉(zhuǎn)向了幾乎是無限供應的海水，加大海水淡化裝置的研發(fā)力度。石墨烯材料給當下無法低成本推廣的海水淡化技術(shù)，帶來了新的機遇。

2012年7月，美國麻省理工學院發(fā)文稱，該校研究人員借助石墨烯開發(fā)出了一種海水淡化的新方法。這種方法的原理是通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子。這樣一來，這種特制的石墨烯就如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子。新工藝的關(guān)鍵是非常精確地控制石墨烯孔洞的大小。研究人員稱，最理想的大小是1納米，不能太大也不能太小，如果太大了鹽便會和水分子一起通過篩子，起不到過濾的作用；如果太小水分子就無法通過這些小孔。計算機模擬結(jié)果顯示，這種石墨烯篩子的性能非常優(yōu)秀，能夠快速地完成海水淡化過程。

這種方法盡管理論上可行，但是它仍然很難被應用于實踐中。直到2017年，“篩子”的研發(fā)才有了新的曙光，來自英國曼徹斯特大學的科研團隊研發(fā)了一種能濾除海水中鹽分的石墨烯篩子。以往當氧化石墨烯薄膜被浸泡在水中時，會出現(xiàn)一定程度的膨脹，使得鹽分子能夠穿透膜上的小孔而達不到過濾效果，曼徹斯特大學的專家則用環(huán)氧樹脂防止了薄膜的膨脹，從而使得根據(jù)需要調(diào)整鹽的過濾程度成為可能。

反觀目前海水脫鹽最常用的反滲透技術(shù)，原理上是用一種特制的膜來過濾海水中的鹽。但由于這些薄膜上的小孔非常致密，需要非常大的壓力來迫使海水通過薄膜，因此在淡化時需要使用水泵擠壓海水，消耗能源非常多。相比之下在相同的壓力下，使用石墨烯新技術(shù)在過濾速度上可比反滲透薄膜技術(shù)快數(shù)百倍，因此可以節(jié)約更多的能源。

柔性透明的石墨烯太陽能電池

光伏電池是當下可再生能源的主力軍之一。但在當今的城市里，人們發(fā)現(xiàn)隨著樓層越建越高，一天之中陽光照在地面和屋頂?shù)臅r間越來越短。常見的太陽能電池板已無法滿足需求，人們急切需要像玻璃一樣透明，能安裝在更多場合或建筑側(cè)面的電池板材料，這給石墨烯材料以新的用武之地。

目前，太陽能電池制造中最廣泛使用的材料是銦錫氧化物（ITO），這種材料的導電性和透明性都符合要求，但其硬度高，因此容易折斷。另外，作為稀有金屬，銦用來生產(chǎn)太陽能電池使電池成本居高不下。石墨烯層是用隨處可見的碳制成的材料，不僅導電性高、可彎曲和透明，而且做成的電極只有1個納米厚，更符合超薄有機太陽能電池的需求，因此有望成為替代目前主流材料的最佳選擇。

2012年底，美國麻省理工學院的研究人員研制出一種在柔性石墨烯片上涂覆納米線的新方法，為生產(chǎn)出低成本、透明以及柔韌性佳的太陽能電池提供了可行的路徑。5年后，麻省理工學院的研究人員再下一城，開發(fā)出一種制造柔性透明的石墨烯太陽能電池的技術(shù)，使之能被安裝于各類物質(zhì)表面上。

2017年，清華大學材料學院朱宏偉教授在評價石墨烯在太陽能電池、光電等領域的應用研究時認為，當下石墨烯在光伏、光電領域的應用與在鋰電池等領域相比還很不成熟，主要原因是高質(zhì)量、大面積的單層石墨烯薄膜規(guī)模化制備技術(shù)還不成熟，業(yè)界還需要繼續(xù)努力。

石墨烯智能卡或?qū)⑻娲芰峡?br/>
今年6月，聯(lián)合國警告說塑料污染正在包圍地球，治理源頭勢在必行。打開抽屜和錢包，數(shù)數(shù)大家各自有多少張銀行卡、會員卡等塑料卡片吧。僅僅在英國，每個月就有近6000萬張信用卡和其他銀行卡在流通使用。卡片的繁雜不僅大大增加了人們的收納工作量和生活不便程度，而且消耗了為數(shù)可觀的塑料材料，加大了塑料污染治理的難度。

以石墨烯研究、制備、工業(yè)化應用為主的西班牙研究機構(gòu)“石墨烯納米”（Graphenano），幾年前曾以創(chuàng)新性的石墨烯聚合物電池轟動業(yè)內(nèi)。該機構(gòu)向大眾展示的一大前景是，一張石墨烯智能卡可以改變這一切，它號稱能夠?qū)⑺袀€人的信用卡、交通卡、會員卡甚至登機牌和火車票信息囊括起來，從源頭上大大減少塑料廢棄物。

今年3月，有消息披露稱歐洲的研究團隊在開發(fā)高度靈活、高導電性的碳基天線方面取得了進展。該技術(shù)采用堆疊石墨烯多層膜，用僅由碳原子組成的新型天線取代了經(jīng)典的全金屬天線。使用該技術(shù)加工成的近場通信設備（NFC），不需要在加工過程中對金屬進行化學蝕刻或進行高溫退火，具有更耐腐蝕和化學穩(wěn)定性高的優(yōu)點，可以嵌入可穿戴電子設備，也沒有一次性裝置將重金屬離子釋放到環(huán)境中的危險。如此輕便、便宜的碳基材料無疑具有很大的環(huán)保吸引力。

石墨烯電子紙前景無限

在電影《哈利波特》里面，英國魔法界第一大報《預言家日報》給無數(shù)影迷留下了深刻印象，報紙上的人物形象能說會動，簡直就是一張可折疊的多媒體顯示器。許多觀影者會不約而同地暢想到同一個問題：這樣的報紙何時來到身邊？很快，電子紙技術(shù)為實現(xiàn)這一夢想提供了可能性。電子紙被學術(shù)界稱為“造紙術(shù)的革命”，是報刊雜志、書籍出版電子化及物聯(lián)網(wǎng)界面顯示最理想的載體，但由于以銦為主要材料的顯示薄膜的全球儲量和開發(fā)前景有限，導致電子紙顯示技術(shù)推廣受限且價格居高不下。

2014年9月，英國劍橋大學石墨烯中心和英國“塑料邏輯”公司，共同生產(chǎn)和展示了第一張基于石墨烯的電子紙。他們采用的技術(shù)是使用電場重新排列溶液上的懸浮粒子，使之顯示出圖像。這種顯示屏與如今的電子閱讀器顯示屏很相似，不過它沒有采用玻璃材質(zhì)，而是選用了軟塑料，當然這也是首次將石墨烯技術(shù)應用在基于晶體管的電子設備上面。

由于電子紙可以在彎曲狀態(tài)下繼續(xù)顯示數(shù)字內(nèi)容，這是一個堪稱里程碑的時刻。其意義絕不僅僅是大大減少紙張浪費，讓印刷出版行業(yè)“更綠”，而是以最低的成本、最便捷的制造解決方案，研制出性能更優(yōu)良的超級電容和太陽能電池等。放眼未來，這項技術(shù)將會應用在高分辨率的醫(yī)療圖像系統(tǒng)和高精準的手勢識別應用程序上。

2016年夏天，土耳其比爾肯大學研究人員將一張普通的打印紙夾在兩層石墨烯膜（由多層石墨烯構(gòu)成）之間，使其變成了一種柔性電子紙。他們還將石墨烯排布成多像素模式，把紙折成三維形狀，在上面打印出彩色圖案，展示了不同于晶片技術(shù)的另一類效果。

同在2016年，中國也研發(fā)出了自己的石墨烯電子紙。廣州奧翼電子科技股份有限公司與重慶墨希科技有限公司在歷時近一年的艱辛研制后，雙方共同開發(fā)出石墨烯薄膜以及電子墨水配方和涂布工藝，使電子墨水能夠涂覆于石墨烯薄膜上，形成石墨烯電子紙。今年6月5日世界環(huán)境日當天，廣州奧翼電子公司正式向外界發(fā)布了近零功耗、高性能、可量產(chǎn)的彩色電子紙顯示屏。這一技術(shù)將我國電子紙的性能提升到一個新高度，也為石墨烯的產(chǎn)業(yè)化開創(chuàng)了一個全新的空間。