石墨烯在化生領域的應用展望

李江存 杜鎮瀟 梁婷 王悅 江丁洋 嚴坤

摘 要：石墨烯是一種新型材料，是由碳原子構成的單層片狀二維晶體，具有優異的導電性、透明性和極強的力學性能。石墨烯是目前最薄電阻率最小且堅硬的納米材料。常見的制備方法有：剝離法、氧化還原法、化學氣相沉積法和溶劑熱法等。本文在簡要闡述石墨烯的結構和性質基礎上，介紹其制備方法及各方法的優缺點。對石墨烯在傳感器、野戰飲水處理器、防毒面具、防護服和晶體管等化生領域的應用進行展望。

關鍵詞：石墨烯 核生化領域 應用展望

中圖分類號：TB32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0083-02

石墨烯（Graphene）是化學領域里一種新型材料，它的結構是由碳原子構成的單層片狀結構[1]。由于石墨烯非常低的電阻率，因而電子遷移的速度極快，基于這個特性，它是目前世界上十分堅硬的最薄的電阻率最小的納米材料。因此，石墨烯材料有望用來被制成導電速度更快的全新極薄電子元件或晶體管。石墨烯的眾多化學特性使其成為傳感類物品的新希望。尤其是它對一些酶具有十分強大的電子遷移能力，使其適合做基于酶的生物傳感器。本文在簡單介紹石墨烯的結構和性質基礎上，對其在核生化領域的應用進行展望。

1 石墨烯的結構與性質

石墨烯是碳材料的一種，擁有碳材料所有的性質并且更加出色。石墨烯的碳原子碳原子雜化方式是sp2雜化，每個碳原子與其相鄰的三個碳原子之間不僅以很強的共價σ鍵結合，且互成120°角，因此構成了石墨烯的獨特的六角晶格[2]。在低溫時，石墨烯的熱導效應大部分由其中的彈道傳輸所控制，在高溫時是由光子傳導的。經過研究，室溫下石墨烯是目前所有已知的化學材料中熱導率最高的。因此，憑借其優異的熱導性能，它在許多微熱電器件等領域的應用前景極其重大。石墨烯的六角型蜂窩狀晶格，是其獨特的電子結構和優異的電學性能。石墨烯也同樣有著極高的透明度，在可見光范圍，石墨烯薄膜的透明度隨著膜厚的增加而降低。

2 石墨烯的制備方法

石墨烯稀有的物理結構和化學性質決定了其制備方法成為了化學界的焦點。常見的石墨烯材料制備方法主要有：剝離法、氧化還原法、化學氣相沉積法和溶劑熱法等。

石墨烯剝離法是通過對石墨晶體施加機械力，分離出來石墨烯或石墨烯納米片層。石墨烯剝離法工藝簡單、制作成本低，是最經濟的石墨烯制備方法。主要的剝離法有機械剝離、熱膨脹剝離、電化學剝離和溶劑剝離法等。其中機械剝離法最為常用，通過外力的作用，從石墨晶體表面剝離出石墨烯層，轉移到載體表面獲得石墨烯。Nocoselov[3]等就是用透明膠帶反復剝離高定向熱解石墨獲得石墨烯的。

氧化還原法的化學原理是在所使用的材料生成氧化石墨后，加入一定的強堿等還原劑或者使用相應的熱剝離等還原方法來去掉表層的含氧基團，從而得到石墨烯。根據氧化劑和還原劑所使用的材料不同，氧化法還原又分以下方法：Hummer氧化法、Brodie氧化法以及Staudenmaier氧化法[4]。這種方法的優勢是可以有效解決石墨烯在溶劑里難分散等問題，但缺點是難以處理制作過程中產生的化學污染。

化學氣相沉積法的原理是利用氣相反應，在加熱的原材料表面生成固態石墨烯[2]。這樣做的好處是成本低，滿足了石墨烯規模化生產需求。而壞處在于提高了石墨烯的制備難度。

溶劑熱法是在密閉的高壓釜中加熱，當到達臨界溫度后，利用系統中自身產生的高壓來獲取石墨烯的方法，這是一種新的途徑。它不僅實現了在高溫高壓封閉體系下制備石墨烯，同時也化解了工業規模化的制作難題。

3 石墨烯在化生領域的應用展望

3.1 石墨烯化生傳感器上的應用

石墨烯及其衍生物具有超高的比較面積和導熱率、超強的力學性能和導電率以及良好的生物相容性等眾多優異性能，使其成為構建生物傳感器重要的支撐材料和強大的優異平臺。石墨烯做為電化學型的生物傳感器能夠對多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）、尿酸（UA）進行原位檢測。目前電化學生物傳感器件常見的有安培型、電化學發光型、電化學阻抗型、場效應晶體管型、光電化學型等5種[5]。在光學生物傳感器制備與修飾研究中，石墨烯由于特殊的物理性質和化學結構獲得了廣泛的關注。于此同時，氧化石墨烯的熒光淬滅性與其被氧化的程度相關。根據石墨烯的光學特性，人們開始了針對石墨烯熒光、可視傳感器及表面增強拉曼傳感器的研究。

3.2 石墨烯炭海綿野戰飲水處理器

石墨烯、碳納米管可以做成無若干個孔隙的三維多孔材料。“碳海綿”具有高彈性一級高吸油能力。它被迫壓縮后，能夠恢復到原來的樣子，對一些有機的溶劑有很強的吸引力，是現今為止，已知的吸油力最高的材料。現有的吸油材料一般只能吸附自身質量十倍左右，而“碳海綿”的吸收量平均是其25倍，最高可達普通材料的90倍，只吸油不吸水。大胃王碳海綿吃掉有機物的速度也是快的讓人意想不到：每秒就能夠吸收68.8g的有機物[6]。鑒于石墨烯的高效吸附功能，將其應用于抽壓式凈水處理器的過濾部件能更好地處理野外飲用水，以及特定情況下污染區內采水的問題。

3.3 石墨烯防毒面具、防護服

軍用濾毒罐所用的活性碳微孔較發達，是吸附發生的主要場所，吸附作用主要由碳和吸附質分子之間的范德華力決定。相對于軍用濾毒罐中所用的活性炭，石墨烯具有更好的吸附能力以及吸著量，還能重復多次循環利用。所以，如果未來將石墨烯應用在這些方面，將為在與毒魔斗爭一線工作的官兵提供更加可靠安全的防護設備，能大大提高工作效率與工作質量。

3.4 石墨烯在晶體管上的應用

由于目前化學理論和物理方法的制約，針對硅晶體管的研究已基本到達盡頭，因此尋找新的替代材料勢在必行。石墨烯超大比表面積，使其對于大規模生產集成設備具有很強的優勢。再加上石墨烯制成的晶體管速度更快，因而很可能成為新一代晶體管更加符合的電極材料。

4 結語

石墨烯作為一種新型材料，具有優異的導電性、透明性和極強的力學性能，是目前最薄電阻率最小且堅硬的納米材料。其常見的制備方法有：剝離法、氧化還原法、化學氣相沉積法和溶劑熱法等。本文在簡要闡述石墨烯的結構和性質基礎上，介紹其制備方法及各方法的優缺點。對石墨烯在傳感器、野戰飲水處理器、防毒面具、防護服和晶體管等化生領域的應用進行展望。鑒于石墨烯各項針對性的實驗未能開展得不到相關數據，所以沒有在論文中展現，但是對于已有的各種碳材料，石墨烯的優勢十分明顯。如果石墨烯的制備工藝得到突破，能夠大量較為廉價的得到石墨烯，那么所有的猜想都能夠實現，石墨烯的軍工裝備就可以大量裝備。

參考文獻

[1] 王天華，易莎莎，紀三郝.國內外石墨烯應用研究發展與展望[J].化學工程與裝備，2015，1（9）：164-165.

[2] 陸璐.石墨烯的制備方法和應用[J].廣州化工，2013（15）：27-29.

[3] 張利萍.石墨烯研究進展及展望[J].內蒙古石油化工， 2016（Z1）：11-12.

[4] 陳政龍，高靈清.石墨烯常用制備和表征方法研究狀態分析[J].材料開發與應用，2015，1（12）：19-28.

[5] 周超，陳思浩，樓建中，等.石墨烯在傳感器中的應用研究進展[J].材料導報，2014（S1）：15-20.

[6] 李一巍.新型碳元素材料的特性和潛在應用[J].科技風，2015（14）：86.