石墨烯具備眾多獨特的性能,如導電性、散熱性、透光性及優良的機械性能,它在下一代電晶體、透明導電膜、儲能技術、化學感測器、功能複合材料等與人類生產、生活息息相關的領域應用前景廣闊,被認為是目前世上最薄、最堅硬的奈米材料。

由於六角苯環狀的石墨烯表面具有很高的化學穩定性,與其他介質相互作用力很弱,且片層之間的凡得瓦力作用過強,導致不親水也不親油,幾乎無法與其他介質或聚合物相容,易於團聚。

為了克服石墨烯先天上的缺點,就必須對其進行表面改質,以改善其加工性與相容性,增加並發揮其應用性。透過表面改質引入官能基,從而提高其與介質或聚合物的介面結合力。由於氧化石墨烯含有大量的活性含氧官能基,利用這些官能基可以與其他分子之間的化學反應對石墨烯進行改質。因此在石墨烯改質方面,氧化石墨烯扮演著相當關鍵的角色。

由於改質後的石墨烯可以更好地均勻分散在介質或聚合物基體中,因而可用來填充聚合物。這使功能性複合材料(如高分子複合材料、陶瓷複合材料等)的性能可以得到顯著的改善。將石墨烯氧化物作為前軀體,利用其表面活化的反應基團進行表面化學修飾,然後再將其還原製備成不同的改質石墨烯(或稱石墨烯衍生物)。

複合材料的性質如電導率、熱導率、機械強度等主要受到添加劑的性質、型態、用量及添加物與基材之間的介面相容性所影響。若將石墨烯(非還原的氧化石墨烯)或石墨烯微片以添加劑的應用形式摻混在各式各樣的複合材料(如高分子複合材料、陶瓷複合材料、金屬複合材料等)中,你會發現其溶液或樹酯的分散性很差,這是由於介面不相容而導致團聚現象的產生,此對材料生成物物性會產生相當程度的影響。這些特性限制了石墨烯(非還原的氧化石墨烯)或石墨烯微片的實際應用的可能性。

為了提高複合材料組成分之間的介面相容性,解決相與相間結合力差的問題,常要對複合材料組成分(特別是添加劑)進行改質以改善介面特性從而提高複合材料的性能。

石墨烯氧化物(即氧化石墨烯),是一種易溶解的石墨烯衍生物。由於含有多種不同的含氧官能基如羧基、羥基、環氧基、和羰基,且由它的結構特性分析中可發現氧化石墨烯同時具有親水與親油的兩親特性(Amphiphiles),因此易於在各種不同的複合材料的漿料中得到良好的分散性。這能使功能性複合材料(如高分子複合材料、陶瓷複合材料、金屬複合材料等)的性能(如電導率、熱導率、機械強度等等)得以充分的展現。

石墨烯出現在實驗室中是在2004年,當時英國兩位科學家用膠帶從石墨中剝離出石墨片,不斷的重複剝離,最後,他們得到了僅由一層碳原子構成的單層片狀結構的二維奈米材料,這就是石墨烯。社會公認石墨烯進入工業化生產領域已為時不遠,因此,兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。

完美的石墨烯是二維結構,其結構分解後可以變成零維的富勒烯,卷成圓筒型可以形成奈米碳管,迭加後可以形成三維石墨。因此石墨烯是構成石墨材料(碳同素異形體)的基本單元。

石墨烯是世界上最薄且最堅硬的材料,如果將食品塑膠包裝袋的材質改用石墨烯,此厚度100奈米的石墨烯包裝袋,將能承受大約2噸重物品的壓力,不至於斷裂。其可應用在超輕防彈衣、超薄超輕型飛機材料、輕型汽車,甚至是能製備成數萬英里的太空電梯。

石墨烯是世界上最好的導電性材料,電子在其中的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。因此被期待可用來替代矽,成為最薄、導電速度更快的新一代的電子元件或電晶體。

石墨烯擁有的世界上最高散熱係數(5300W/mk),是銅的近14倍,石墨的3.5倍。因此石墨烯(還原後的氧化石墨烯)被認為適合解決目前LED照明和許多消費性電子裝置例如智慧型手機、電腦過熱的問題。

石墨烯兼具高導電性、高透明性、高韌性(拉伸20%仍不會斷裂),石墨烯能夠取代ITO作為透明導電材料(柔性電極),可應用於觸控面板、太陽能電池的透明導電膜與OLED面板。

石墨烯(還原後的氧化石墨烯)是製備高性能充電電池電極的首選材料。石墨烯可作為電池的正極與負極材料。將石墨烯做為鋰離子電池中的導電添加劑,其電池的大電流充放電性能、迴圈穩定性和安全性都得到了大幅度的改善。石墨烯本身具備超高的比表面積與多樣的中空孔洞結構,可使超級電容的能量密度與功率密度大幅提升,有助於提高超級電容的特性。

科學家發現石墨烯(還原後的氧化石墨烯)與氧化石墨烯未來預計能夠應用在許多生物科技或生物製藥上。由於氧化石墨烯能促進細菌與哺乳動物細胞的生長,對人體無害,可以參與組織工程的人體細胞培養或增加生物製藥的產量。功能化的氧化石墨烯還具備優良的生物相容性與穩定性。

石墨烯的製備方法主要有四種:微機械剝離法、外延生長法、氣相沉積法與氧化石墨烯還原法。我司採用氧化石墨烯還原法製備石墨烯材料。氧化石墨烯還原法是將天然石墨與強酸和強氧化劑反應生成氧化石墨,經過超音波分散製備成氧化石墨烯(單層或少層氧化石墨烯),再經由熱處理或加入還原劑去除氧化石墨烯表面的含氧官能基,即可得到石墨烯。

高分子複合材料

特性 / 高導電、導熱性、機械與組隔性質、熱穩定性、透光性

在多種樹脂與塑料基體中,例如:環氧樹脂、酚醛樹脂、PS、PVA、PET、PMMA、PP、PU、PI,石墨烯可作為功能性填料,開發出各種導電、導熱、耐熱、氣體阻隔與結構增強的複合材料;石墨烯的高透光性也可製成PVA、PET膜。

塗料/油墨

特性 / 高導電、導熱性、抗腐蝕性

石墨烯可作為功能填料,針對不同的應用領域開發出新型塗料/油墨,例如:重防腐塗料、電磁波屏蔽塗料、LED燈具用的導熱塗料、印刷電路板的導電油墨等。

鋰電池

特性 / 比表面積大、高導電性

石墨烯添加於電極材料中能提升循環壽命與穩定性、電容量並達到快速充放電的性能。

太陽能電池

特性 / 高電子遷移率、透光性

石墨烯具高透明度與低阻抗特性,可取代矽或ITO電極作為透明導電薄膜。

催化劑

特性 / 比表面積大、高電子遷移率

氧化石墨烯可透過表面官能化如引入羧基、羰基、環氧基等,形成可控的化學缺陷,這些缺陷能作為金屬生長的成核中心,達到控制金屬生長的目的,以改善其催化性能。

生物感測器

特性 / 高電子遷移率

氧化石墨烯可用於DNA/基因/蛋白的選擇性檢測

濕度感測器

特性 / 親水性

氧化石墨烯製成的溼度感測器可提升靈敏度與線性範圍

生物醫學

特性 / 比表面積大、機械強度、生物相容性、化學穩定性、輕薄、通透性、親水性

氧化石墨烯作為奈米載藥體系可實現超高載藥性能、靶向性以及較低的細胞毒性,有助於腫瘤治療;利用其自發螢光也可用於近紅外光活細胞成像。

抗菌材料

特性 / 抗菌活性、細小的細胞毒性

氧化石墨烯能抑制大腸桿菌生長,與幾丁聚醣製成複合材料可提升其抗菌能力。

散熱材料

特性 / 高導熱性

石墨烯製成散熱片/散熱膜可作為智慧型手機、筆記型電腦、LED的熱管理應用。

電子元件

特性 / 高電子遷移率、導電性、化學穩定性

石墨烯可縮短元件的開關時間,並達成超高頻率的操作回應。