诺奖得主笔下的石墨烯蓝图

通常使用的商业化的锂电池电极的电导率通常比较低，这可以通过在电极中加入石墨烯或者炭黑来改善。石墨烯为片状，不仅可以作为先进导电层而且还能形成核-壳或者三明治型纳米结构。这些新形貌不仅提高了电导率，还有助于克服锂离子电池的重要缺陷-低功率密度。最后，石墨烯的高热导率有利于释放在电池系统中高电流载荷产生的热量。作为阳极，石墨烯纳米片可以作为锂的可逆式插入片状晶体。石墨烯纳米片与碳纳米管、富勒烯、C60可以一起使用提高电池容量。

超级电容器（图4）是基于电化学双层电容原理的储能设备。其（相比于锂离子电池）优越的倍率性能主要依靠其静电储能的原理，利用高比表面积的活性碳材料的电极-电解质界面的快速吸脱附电荷来决定其性能。石墨烯用于超级电容器提供了高的本征电导率、良好的孔结构、良好的抗氧化性能和高的热稳性。目前石墨烯电化学双层电容器在电容以及能量和功率密度方面处于领先地位。尽管石墨烯超级电容器的特点如此的诱人，但是在该体系商业化应用之前，仍有许多亟待解决的问题。尤其是石墨烯超级电容器的不可逆电容相对比较高，可以通过选择更好的电解质或者较少缺陷来改善。

在燃料电池铂催化剂的支撑材料中使用石墨烯纳米片也在研究当中。与炭黑作为铂催化剂的基础支撑材料不一样，石墨烯减小了铂粒子的尺寸，因为铂原子与石墨烯间相互作用比较强。铂与石墨烯间的强相互作用和铂粒子的小尺寸直接增强了甲醇燃料电池的催化活性。

当石墨烯在性能和成本上都比较优秀时，就能够替代现在能源相关的通用材料（石墨，炭黑和活性炭）。

8 石墨烯用于传感器和计量

石墨烯作为二维织物和几乎没有体积的表面，对于环境的变化有极高的敏感性。因此，考虑将石墨烯用于传感器中就十分合理了，从测量磁场到DNA测序，从探测周围液体的速率到应变仪。后者（通过电子或者光读数）可能成为最具竞争力的设备。由于石墨烯是唯一可以拉长20%的晶体，因此显著提高了传感器的工作范围。

尽管石墨烯气体传感器极其灵敏，但是与目前的设备相比竞争优势还不明显。选择性低和水中毒限制了石墨烯在此方面的应用，尽管这种传感器生产成本很低，但是只能限用于某些领域。功能化可以提高石墨烯传感器的灵敏度，但是由于该方法成本较高，因此石墨烯可能最适合应用于生物传感器中。

石墨烯传感器的主要优点是它们的多功能性。同一个设备可以用来测量多个参数（如应变，气氛，压力和磁场）。这给石墨烯提供了独特的机会。随着交互式电子产品的急剧发展，石墨烯传感器应用前景更加广阔。

石墨烯因其独特的能带结构，在零能耗和第一能级间较大的不规则能级分裂，使得基于霍尔效应测量通用电阻标准的理想材料的开发成为了可能。在碳化硅表面外延生长的石墨烯的霍尔效应量子化精度为百亿分之一，这个性能远优于传统使用的六方砷化镓材料，该技术已经用于几种计量设备中。

9 石墨烯的生物应用

石墨烯某些性能使得其可以作为潜在的生物应用材料。比面积大、化学纯度高和易官能化为石墨烯用于载药提供了可能。石墨烯特殊的机械性能可以应用于组织工程和再生医学中。石墨烯同时具有薄、传导好、强度高的特点，可以用于透射电镜中生物材料的支架。同时，化学功能化的石墨烯可以应用于快速、超灵敏的测量仪器，检测包括葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和DNA等一系列生物分子。

由于石墨烯比表面积大，有不受限制的π电子，石墨烯的衍生物可以用于溶解，绑定药物分子，因此石墨烯如果有足够高的载药量，可作为潜在的药物运载工具，能够在体内较好分散，释放药物。石墨烯是亲脂性的，这个性能有利于解决载药过程中药物穿过生物膜。到目前为止，已经完成了很多关于芳香抗癌药物如阿霉素的载药或体外行为相关的工作。聚乙二醇修饰的氧化石墨烯，用近红外荧光染料染色，不带任何药品，在异种移植老鼠的静脉中表现出被动的肿瘤靶向。肿瘤细胞在被低功耗近红外激光辐照后被杀死，表示石墨烯的衍生物可以应用于光热光谱分析癌症治疗。然而，当加入新材料时，药物开发需要高安全性，临床和监管障碍而且耗时较长，所以石墨烯载药技术在2030年前不太可能进入市场。

组织工程是影响病人一系列疾病治疗的潜在新兴技术领域，尽管目前只有少数产品进行了临床实验。石墨烯可以成为支架材料的一部分，用来提高组织工程的机械性能（强度和弹性），选择透过性和调节它们在某些领域如细胞粘附、增殖、分化等生物性能。

在石墨烯充分体现它在生物医药领域的作用前，其生物分散，