石墨烯的制備及其應(yīng)用

【摘要】：石墨烯擁有獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)，并顯現(xiàn)出了超強(qiáng)的機(jī)械性能和優(yōu)異的電學(xué)性能。盡管它的研究歷史很短暫，但已經(jīng)在很多領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了極高的應(yīng)用價(jià)值。為了使石墨烯在應(yīng)用過程中能夠很好的分散，通常需要對(duì)其進(jìn)行功能化。石墨烯功能化的方法大體可分為2種，即基于共價(jià)鍵的共價(jià)鍵功能化法和依靠分子間作用力的非共價(jià)鍵功能化法。本文綜述了功能化石墨烯（FGs）在光電材料、傳感和探測(cè)器、儲(chǔ)能材料、催化、納米增強(qiáng)復(fù)合物及其他一些領(lǐng)域內(nèi)的最新應(yīng)用研究進(jìn)展，并展望了未來FGs應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】：石墨烯；應(yīng)用范圍

目前，石墨烯的制備手段通?？梢苑譃閮煞N類型，化學(xué)方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80nm以上。而化學(xué)方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度10nm以下。物理方法包括：機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱SiC法、爆炸法；化學(xué)方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如機(jī)械剝離法簡單，可獲得高品質(zhì)的石墨烯，但重復(fù)性差、產(chǎn)量和產(chǎn)率很低；溶液液相剝離法制備過程簡單且未破壞石墨烯面內(nèi)原子結(jié)構(gòu)，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來；外延生長法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉(zhuǎn)移出來；化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯具有較整的晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯面積大，在透明電極和電子設(shè)備等領(lǐng)域表現(xiàn)出很明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但存在產(chǎn)量較低，成本偏高，石墨烯難轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)。

對(duì)比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑作用下進(jìn)行氧化，制備氧化石墨烯（GO），然后再還原除去含氧官能團(tuán)制備石墨烯盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團(tuán)，制備的石墨烯存在缺陷和導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，但是其宏量和廉價(jià)制備為其在聚合物復(fù)合材料等宏量應(yīng)用研究中提供了機(jī)會(huì)。

石墨烯作為一種擁有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的新型材料，近幾年來其理論研究、制備方法及功能化應(yīng)用等都已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。石墨烯為單原子層二維結(jié)構(gòu)，由6個(gè)碳原子通過sp2雜化形成的六邊形環(huán)構(gòu)成蜂巢狀結(jié)構(gòu)。作為碳元素單質(zhì)，它這種擴(kuò)展的蜂巢結(jié)構(gòu)是構(gòu)成另外3種同素異形體的結(jié)構(gòu)基石，零維的富勒烯可看作是由石墨烯彎曲成足球狀得到的，一維的碳納米管其主體管部分也可以看作是由石墨烯卷曲而成，三維結(jié)構(gòu)的石墨則早已被科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到是石墨烯片層（GNs）的緊密堆疊。雖然石墨烯作為概念來說并不是一個(gè)新的事物，而且人們也不斷嘗試獲得厚度更薄的石墨片層，但直到2004年才由曼徹斯特大學(xué)Geim領(lǐng)導(dǎo)的研究小組采用微機(jī)械剝離法（micro-mechanicalcleavage）制備出了單層的GNs。這一歷史性的突破很快引起了人們極大的研究熱情，近年來相關(guān)的研究也層出不窮的應(yīng)用價(jià)值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發(fā)現(xiàn)了石墨烯在光電探測(cè)領(lǐng)域的潛能，并且認(rèn)為將會(huì)是很具發(fā)展前途的材料之一。

工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是氧化銦錫（ITO），由于銦元素在地球上的含量有限，價(jià)格昂貴，尤其是毒性很大，使它的應(yīng)用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星，石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)被認(rèn)為是氧化銦錫的替代材料，石墨烯以制備工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen研究組通過浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯，薄膜電阻為900，透光率為70%，薄膜被做成了染料太陽能電池的正極，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為0.26%。2009年，該研究組采用乙炔做還原氣和碳源，采用高溫還原方法制備了高電導(dǎo)率（1425S/cm）的石墨烯，為石墨烯作為導(dǎo)電玻璃的替代材料提供了可能。

電化學(xué)生物傳感器技術(shù)結(jié)合了信息技術(shù)和生物技術(shù)，涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)等交叉學(xué)科。石墨烯出現(xiàn)以后，研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移，這使它成為電化學(xué)生物傳感器的理想材料。Chen等采用低溫?zé)嵬嘶鸬姆椒ㄖ苽涞氖┳鳛閭鞲衅鞯碾姌O材料，在室溫下可以檢測(cè)到低濃度NO2，作者認(rèn)為如果進(jìn)一步提高石墨烯的質(zhì)量， 則會(huì)提高傳感器對(duì)氣體檢測(cè)的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能，使越來越多的醫(yī)學(xué)家關(guān)注它，目前石墨烯還被用于醫(yī)學(xué)上檢測(cè)多巴胺、葡萄糖等。

石墨烯材料在當(dāng)今發(fā)展迅速的社會(huì)中應(yīng)用越來越廣泛，得到了不斷提升的重視。石墨烯的制備和研究以及應(yīng)用都在不斷的革新技術(shù)。希望未來石墨烯有更遠(yuǎn)的未來和應(yīng)用領(lǐng)域。

作者簡介：朱曉剛（1984.02.08—），江蘇省沭陽縣人，學(xué)歷：本科，職稱：助教，單位：江西工程學(xué)院，研究方向：機(jī)電一體化工程。