趙瑩瑩

（河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007)

石墨烯及其衍生物由于性質(zhì)特別，應(yīng)用范圍較廣泛。可作為用于腐蝕控制和保護(hù)的新型材料，可有效地防護(hù)一些金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)象；作為高能量-功率密度超級電容器的抗壓電極材料，可以幫助超級電容器更好的儲存能量；用于電子設(shè)備熱管理的實(shí)驗(yàn)研究，可以加強(qiáng)電子設(shè)備的散熱能力，延長設(shè)備使用時(shí)間。

1 石墨烯材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1.1 作為用于腐蝕控制和保護(hù)的新型材料

腐蝕可以定義為材料與周圍環(huán)境相互作用后的變質(zhì)[1]。就全球年度損失估計(jì)為2.5萬億美元而言，這是一項(xiàng)全球性挑戰(zhàn)，對世界經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大影響。此外，酸洗、酸化等多種工業(yè)實(shí)踐還促進(jìn)了金屬表面與濃酸的直接接觸，從而嚴(yán)重腐蝕金屬和合金[2]。在含有氯離子的鹽分介質(zhì)存在的情況下使用金屬材料，也會導(dǎo)致對金屬結(jié)構(gòu)的侵蝕[3]。在用于腐蝕防護(hù)的不同方法中，最常用的是防腐蝕涂料和腐蝕抑制劑中，石墨烯材料就是較好的選擇。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。表面積較大的石墨烯和石墨烯衍生物具有良好的疏水性、耐化學(xué)性、穩(wěn)定性和高機(jī)械強(qiáng)度，可作為防腐涂料中的良好添加劑。另一方面，氧化石墨烯由于其含氧官能團(tuán)的存在，其親水性質(zhì)顯示出高的水分散性，從而增強(qiáng)了分散性和緩蝕性能。石墨烯及其衍生物作為一類新的腐蝕控制材料，顯著特征就是作為耐腐蝕涂料和抑制劑。防腐涂層通常包括具有不同性質(zhì)和目的的多層不同涂層，而由于石墨烯具有出色的穩(wěn)定性、抗磨損性、抗?jié)B性及出色的抗?jié)裢该餍裕沟檬┠ぞ哂锌寡趸阅?，可保護(hù)下面的金屬表面免受周圍環(huán)境的影響[1]。

1.2 作為高能量-功率密度超級電容器的抗壓電極材料

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染和化石燃料的枯竭等現(xiàn)象的發(fā)生都證明人類需要一些可持續(xù)的可再生能源。因此，人們迫切需要能量轉(zhuǎn)換和存儲相關(guān)的新技術(shù)[4]。電化學(xué)雙層電容器也稱為超級電容器，通過在電解質(zhì)表面形成雙層電解質(zhì)離子來存儲能量，具有高功率密度，超長循環(huán)壽命和安全運(yùn)行的特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代潛在的能量存儲系統(tǒng)。而石墨烯作為最年輕的碳同素異形體，由于其理論表面積大，固有電導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為電化學(xué)雙層電容器的新型電極材料[5]。因此，設(shè)計(jì)和合成在高壓下能很好地保持其比表面積和孔隙的石墨烯材料具有重要意義。

高能量-功率密度超級電容器的設(shè)計(jì)需要具有高表面積，適合離子擴(kuò)散的合適孔徑以及在高壓壓縮下的機(jī)械強(qiáng)度的先進(jìn)電極材料。對于具有平面結(jié)構(gòu)的常規(guī)石墨烯材料，高壓壓縮不可避免地導(dǎo)致表面積減小和由于重堆積而導(dǎo)致的緩慢的離子擴(kuò)散。而高度皺折的氮摻雜石墨烯材料作為超級電容器的電極材料的應(yīng)用在離子液體中顯示較高的能量密度，具有出色的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。高度皺折的石墨烯材料憑借其獨(dú)特的皺縮結(jié)構(gòu)和出色的抗堆疊性能，使它們在強(qiáng)烈壓縮后仍能保持較大的表面積，從而保持較高的比電容[6]。

1.3 用于電子設(shè)備熱管理的實(shí)驗(yàn)研究

在這個(gè)時(shí)代，許多工業(yè)都渴望出現(xiàn)一些能夠承受高溫范圍的電子組件，因?yàn)檫^度使用電子設(shè)備會散發(fā)大量熱量，從而降低其系統(tǒng)性能并縮短其使用壽命。為了維護(hù)電子設(shè)備，使其能夠在正常溫度范圍內(nèi)工作，工程師需要依靠主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)需要散熱器與不同的金屬散熱片直接接觸，并且需要一個(gè)風(fēng)扇裝置以釋放最大熱量[7]，但是這些系統(tǒng)對于高環(huán)境溫度范圍的效率不高。因此，這種冷卻系統(tǒng)存在局限性。近年來，使用相變材料的潛熱熱能存儲是電子設(shè)備被動(dòng)冷卻領(lǐng)域中出現(xiàn)的最新方向之一。

在正常的相變材料下，電子設(shè)備工作具有很高的蓄熱能力，它們可以在相變過程中吸收或釋放熱能[8]。但是，相變材料具有較低的熱導(dǎo)率，這會影響相變材料的充電和放電持續(xù)時(shí)間。為了增加其導(dǎo)熱系數(shù)，在相變材料中添加石墨烯納米填料等，因?yàn)槭┰谑覝叵戮哂休^高的熱導(dǎo)率，所以可通過使用含有石墨烯納米顆粒的相變材料進(jìn)行電子組件的熱管理[9]，因此，研究石墨烯的具有很高的價(jià)值。

2 結(jié)語與展望

石墨烯及其衍生物具有較好的特性，可在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用于很多方面，在材料等領(lǐng)域推動(dòng)了科技的進(jìn)步，然而在實(shí)際應(yīng)用方面還有待加強(qiáng)，總之，石墨烯研究前景很廣闊。