關(guān)于石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展分析

高 唐

（沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維晶體，它只有一層原子厚度，最早是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Novoselov等利用膠帶剝離高定向石墨的方法獲得，石墨烯具有獨(dú)特的光學(xué)性能與電學(xué)性能等，使得它具有了廣泛的應(yīng)用前景以及巨大的商業(yè)價(jià)值。石墨烯的各種應(yīng)用首先都需要實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的大規(guī)模可復(fù)制的制備，物理方法的制備石墨烯往往可控性低，難以大規(guī)模合成，而化學(xué)制備則有所不同。

1 石墨烯介紹

石墨具有三維的層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個(gè)層數(shù)小于10時(shí)，表面就會(huì)呈現(xiàn)出與一般石墨不同的電子狀態(tài)，因此，10層以下的石墨稱為石墨烯，而不僅僅是單層。石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與苯環(huán)類似，具有極為優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性，有很強(qiáng)的硬度，還具備有良好的導(dǎo)電性能，是世界上目前已知的最薄最堅(jiān)硬的納米材料，在未來(lái)的很多電子元件中，石墨烯的應(yīng)用都被認(rèn)為是可以帶來(lái)巨大改變的。

石墨烯具有非常好的導(dǎo)熱性能，是目前為止已發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。石墨烯也具有非常好的光學(xué)特性，看上去幾乎是透明的，對(duì)光的吸收率很低。石墨烯具有超疏水性和超親油性，可以吸附和脫附各種原子與分子。石墨烯的化學(xué)性質(zhì)和石墨有些類似，它具有生物相容性、氧化性、還原性，很有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2 石墨烯的化學(xué)制備

對(duì)石墨烯的許多應(yīng)用都需要首先實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的大規(guī)模的可復(fù)制的制備，并且制備出的石墨烯需要結(jié)構(gòu)規(guī)整，厚度和尺寸可控。物理方法的制備往往不可控或者不能大規(guī)模制備，相比之下，化學(xué)氣相沉積法為石墨烯的合成與制備提供了一條可行路徑。

制備大面積高質(zhì)量的石墨烯一直都是石墨烯研究的重要課題。氧化還原法是常溫下在溶液中制備石墨烯的一種方法。氧化還原裝置簡(jiǎn)單，易于流程化與規(guī)模化，裝置設(shè)備維護(hù)起來(lái)很方便而且成本也相對(duì)較低。關(guān)鍵的是，通過(guò)氧化還原法制備的石墨烯可以通過(guò)簡(jiǎn)單的沉積工藝沉積到任何基底上面去，方便組裝。

氧化還原法是先利用強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)酸對(duì)石墨進(jìn)行氧化反應(yīng)，然后在通過(guò)一定的方法把生成物還原成石墨烯。氧化還原反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于它是一種可以在常溫下使用的制備石墨烯的方法，簡(jiǎn)單而溫和，設(shè)備與工藝都很簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)說(shuō)想要實(shí)現(xiàn)石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)流程化比較簡(jiǎn)單。但是這種方法在制備石墨烯的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的污染情況，且需要進(jìn)行后處理，而且制備出來(lái)的石墨烯面積也不足夠大，生產(chǎn)出來(lái)的石墨烯還不能很好地達(dá)到要求。

石墨烯的化學(xué)改性可通過(guò)化學(xué)修飾、表面官能化等方式來(lái)進(jìn)行。石墨烯與氫鍵的結(jié)合可形成石墨烯的氫化物，它與石墨烯表現(xiàn)出了不同的電子結(jié)構(gòu)與晶體狀態(tài)。氫化反應(yīng)將石墨烯從半金屬狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了半導(dǎo)體狀態(tài)，在去氫化之后又能夠恢復(fù)其半金屬性質(zhì)。

碳材料在化學(xué)催化中一直都受到廣泛的關(guān)注，表面催化反應(yīng)涉及到固體表面的游離電子與吸附到的氣體分子軌道之間的相互作用。石墨烯相較于石墨來(lái)說(shuō)，其表面具有更強(qiáng)的反應(yīng)活性，這就說(shuō)明了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)對(duì)表面活性具有調(diào)變作用。

3 結(jié)語(yǔ)

自自石墨烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于石墨烯在光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)方面都有具有優(yōu)異的特性表現(xiàn)，因此，其在材料、納米、能源和醫(yī)藥等方面都具有重要的應(yīng)用前景，是未來(lái)世界一種優(yōu)異的材料選擇。所以人們對(duì)于石墨烯的研究不斷重視與深入，在石墨烯的研究方面也不斷取得多方面的重要進(jìn)展，為了使石墨烯能夠大規(guī)模，低成本的合成，并在人工可控制的范圍內(nèi)進(jìn)行合成，人們嘗試了多種方式。在嘗試的各種方法中，通過(guò)化學(xué)方法進(jìn)行制備，也已取得了相對(duì)不錯(cuò)的成績(jī)，已經(jīng)研發(fā)出來(lái)通過(guò)化學(xué)方式規(guī)模制備石墨烯的可行性，就是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法和溶液化學(xué)法。與此同時(shí)，對(duì)于石墨烯的可控生長(zhǎng)，也取得了理想的進(jìn)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)石墨烯、微米級(jí)石墨烯，甚至是厘米型石墨烯的有效制備。在此基礎(chǔ)上，人們對(duì)于石墨烯的厚度也實(shí)現(xiàn)了初步可控，從而使其表現(xiàn)出良好的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。總而言之，對(duì)于石墨烯的研究熱潮在全面展開(kāi)，對(duì)于石墨烯的應(yīng)用也必將在此基礎(chǔ)上取得更好的發(fā)展和推廣。