石墨烯材料的應用前景

王鵬

[摘要]：自2004年被成功制備以來，石墨烯引起了社會各界的廣泛關注。石墨烯材料因其獨特的結構，擁有優異的電學、力學、光學等性質。這些優異特質使其在未來的各個領域具有戰略性地位。本文主要通過對石墨烯材料在各個領域的應用進行綜述，希望對石墨烯材料的應用前景有更清晰的認識。

[關鍵詞]：石墨烯；性質；應用

[引言]：

碳元素是自然界中最為神奇的元素，在自然界中廣泛存在。在有機物世界中，碳元素是構成眾多有機物的基本骨架；而在無機物世界中，碳單質的多種同素異形體，從石墨與金剛石，到富勒烯和碳納米管也逐漸被人們認知。2004年，曼徹斯特大學GeimA.K教授等用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎，至此掀起科學界研究石墨烯的熱潮。

1、石墨烯的結構和性質

石墨烯是由單層碳原子在二維平面內以SP2雜化方式形成蜂窩平面薄膜，可在二維平面內無限延伸。碳原子最外層有四個未成鍵的電子，石墨烯中每個碳原子中有三個外層電子與其他三個碳原子形成C?C共價鍵，而其余一個未成鍵電子在與二維平面垂直的方向形成π鍵。

石墨烯的特殊結構決定其擁有特殊的性質：

1.1電學性質：石墨烯是目前已知的電阻率最低的材料。石墨烯中π電子位于與平面垂直的p軌道內，其自由運動不會與碳原子核發生碰撞，因此石墨烯中自由電子的運動受到的阻力極低。相關研究表明，電子在石墨烯上的傳遞速率可達光速的1/300，在特定條件下，石墨烯的電子遷移率可以達到25000 cm2V-1s-1，這已經遠遠超越了目前已知的所有半導體材料[1]。

1.2力學性質：石墨烯特殊的成鍵方式，使其晶格結構十分穩定，是目前為止最強、最硬的材料。其抗拉強度和彈性模量分別為 125 GPa和 1.1TPa，楊氏模量約為42 N/m2[2]，石墨烯的力學性質意味著它可以承受巨大的作用力，其柔韌性也保證它在彎曲變形的同時結構不會破壞。

（3）光學性質：單層石墨烯對可見光以及近紅外波段光垂直的吸收率僅為2.3%[3]，對所有波段的光無選擇性吸收，因此它的透光率極大，幾乎是透明狀態。

（4）導熱性質。石墨烯的晶體結構決定其具有良好的導熱性，研究表明石墨烯的熱導率可達5000Wm-1K-1[4]。

2、石墨烯材料的應用

石墨烯的特殊性能意味著石墨烯及其衍生材料有著巨大的應用前景，已經或者未來將被使用在諸如電子信息、能源、環境保護、生物醫藥、航空航天等領域。

2.1石墨烯在電子信息領域的應用

石墨烯材料因其優異的電學性質和光學性質，將會在在電子信息領域發揮革命性的作用。

在過去的幾十年中，硅基材料一直是電子信息產業的核心材料，但面臨著難以進一步集約化、微型化的難題。石墨烯的出現，有望成為硅的代替品，電子信息領域也由“硅時代”進入“碳時代”[5]。一方面，石墨烯具有超高的電子遷移率，用石墨烯取代硅制造芯片，計算機處理器的運行速度將會快數百倍；石墨烯良好的導熱性，允許計算機可以有更高的運行頻率，同時消耗更少的能耗；同時也為未來電子產品的進一步微型化提供了可能。另一方面，石墨烯作為單原子層的二維材料，幾乎是透明的，同時具有極佳的柔韌性，因此它非常適合作為柔性的、透明的電子產品的原料，比如可以卷曲的手機屏幕等，這將極大地改善人們的體驗效果。

2.2石墨烯在能源領域的應用

石墨烯材料在能源領域的應用，主要有太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器[6]。

2.2.1太陽能電池：太陽能電池作為把太陽能轉化為電能的裝置，受到越來越多的關注。目前使用最廣的主要是硅太陽能電池，但是制造成本高，且會帶來嚴重的環境污染。石墨烯由于其優異的電化學性能，在太陽能電池方面具有廣泛的應用前景。一方面，石墨烯材料的高透光性、載流子遷移率高、寬光譜范圍等特性，能極大提高太陽能電池的轉化效率；另一方面，在室溫條件下，石墨烯性質穩定，保證了太陽能電池的穩定性。

2.2.2鋰離子電池：鋰離子電池是目前應用最廣的二次電池，大多使用在在便攜式電子設備中，近來逐漸被用于大功率的動力電池領域。石墨烯具有高的比表面積、sp2雜化的二維平面結構，這使得石墨烯具有最高的電子導電性，從而成為制備鋰離子電池電極材料的最佳候選材料。目前的研究現狀是將石墨烯與與硅基、錫基、釩系等其他材料進行復合，作為鋰離子電池的電極材料，能極大提高鋰離子電池的能量密度和充放電速率，但在使用壽命和穩定性方面存在問題，需要進一步的研究。

2.2.3超級電容器：超級電容器是一種新型的儲能裝置，具有高功率、相對高的能量密度、循環壽命長、安全性和環境友好性等特點。石墨烯的高比表面積、優異的電學性能和穩定的化學性能等特點，在超級電容器領域備受關注。Stoller等[7]以KOH化學改性的石墨烯作為電極材料，驗證了石墨烯應用在超級電容器電極材料領域的可行性。石墨烯作為超級電容器的電極材料可以大幅提高電容值，同時也可以保證其發生柔性變形是電化學性質的穩定，因此柔性超級電容器具有很好的應用前景。

2.3石墨烯在環境保護領域的應用

環境污染是當今社會面臨的重大挑戰，尤其是空氣污染和水污染會嚴重危害人們的健康。石墨烯材料在環境保護領域也可以起到相應的作用。石墨烯材料巨大的比表面積賦予其優良的吸附能力，尤其是對有機物吸附性更強，因此石墨烯有望成為繼活性炭之后最有效、最廣泛的吸附劑。同時，功能化石墨烯材料含有豐富的含氧基團，這些含氧基團能夠高效地與重金屬離子作用，可以應用于凈化重金屬離子污染的污水。此外，石墨烯還可以與金屬、金屬氧化物等構成復合材料，不僅對金屬離子的吸附具有高度選擇性，而且通過負載光催化材料，如TiO2，可以有效分解有毒、有害的有機物，在污水處理和空氣凈化中都可以發揮很大作用[8]。

2.4石墨烯在生物醫藥領域的應用

功能化石墨烯表面含有大量的活性基團，比如羰基、羧基、羥基及環氧基等，這些基團使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性，因此可以應用于生物醫藥領域[9]。

2.4.1藥物載體：目前癌癥的治療手段主要為化療和放療，但是這兩種治療效果不佳且存在許多的副作用。石墨烯較大的比表面積和其衍生物表面豐富的官能團（環氧基、羥基、羧基）與抗癌藥物結合形成的復合物通過修飾、控制顆粒的大小以及利用可透過血腦屏障等特點實現癌癥藥物的靶向治療，是一個很有前景的材料。

2.4.2抗菌：人類濫用抗生素導致耐藥性、超級細菌的產生，所以人類不得不從新的角度去發展抗菌類藥物，不僅要提高抗菌效果，還要減小對人類及環境的危害。近年來，人們發現石墨烯及其衍生物與動物細胞具有很好的生物相容性，可以與細菌相互作用起到抗菌作用。石墨烯及其衍生物除了自身與細菌作用之外，石墨烯家族還可以充當抗菌藥物的載體。

2.4.3檢測與傳感：目前利用石墨烯及其衍生物來制造電化學傳感器和生物傳感器以提高檢測性能方面已經有了很大的進步。目前石墨烯以及電極修飾的石墨烯復合材料已被提倡用于臨床、環境等方面的檢測，其中血糖測量用的最廣泛，比起傳統方法提高了檢測的靈敏度。

2.5石墨烯在航空航天領域的應用

石墨烯材料在航空航天領域也有巨大的應用潛力。隨著航空航天活動越來越頻繁，對高性能的航空航天材料的需求越來越迫切；而且由于航空航天材料的使用環境和條件特殊，對其性能的要求更為苛刻[10]。石墨烯材料的優異性質，恰好可以滿足這些要求。石墨烯具有優越的力學性能、熱學性能、電學性能和阻隔性能，這些性能在航空航天領域都至關重要。石墨烯材料具有輕質、高強度的特點，可作為航天器的結構材料；石墨烯可以增強粉末高溫合金，在提高其機械性能的同時改善其耐高溫性能；石墨烯與其它材料復合，還可以將熱、電和阻隔性能賦予材料，為材料的多功能創造機會。

3、結語

如上所述，石墨烯材料在諸多領域的應用已經取得很大進展，能夠給這些領域帶來巨大的進步，但相關研究大都處于實驗室階段，尚未達到成熟應用的水平。因此，石墨烯材料的實際應用還有很長的一段路要走。要想使石墨烯材料盡早地實現產業化，真正為人們所用，還要解決許多關鍵性的技術問題，這也是研究人員的目前的研究熱點。相信隨著研究的深入，技術的成熟，石墨烯材料的應用領域會更加廣泛，人類社會將進入全新的“碳時代”。

[參考文獻]：

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