論石墨烯在生活生產中的應用

李冉 吳霜 付鵬輝

摘要：眾所周知，碳元素普遍被應用在生態環境中，其獨有的物性以及其多樣的形態伴隨人類文化的提高而逐步被發現。2004年，石墨烯的發現，引起了研究人員的探索，它是一種極薄的具有高的比表面積、超強的導電性以及高強度的碳的同位素材料。自從石墨烯進入人們的視野以來，人們便根據其優點，將石墨烯廣泛應用在生物醫學、儲能材料、污水處理、日常生活等領域。近幾年，我國石墨烯產業極速發展，隨著國家經濟的快速發展，石墨烯的研究發展趨勢會逐漸走向成熟。

關鍵詞：石墨烯材料;藥物傳輸;超級電容;污水治理;紡織行業

石墨烯是一種二維晶體，有著獨特的單原子層，由碳原子依照六邊形進行排布并互相連接，構成一個碳分子，它的結構十分穩定;隨著所連接碳原子數量的不斷增多，石墨烯平面不斷擴張，分子也不停的變大。石墨烯具備極高的比表面積、載流子遷移率、電導率、熱導率、透光性、強度等優點[1]。同時，石墨烯的發現，也將推動新世紀社會的發展，并極大的影響著人類的生活生產醫療等方面。

1、石墨烯在生物醫藥領域的應用

研究表明，石墨烯類材料在生物醫學領域有著重要的應用，并能夠展現出巨大的價值。石墨烯有極高的比表面積并且每個原子都暴露在表面，而且，石墨烯經氧化后的官能團大部分是含氧基親水官能團，故而，其親水性往往比較高。由于氧化石墨烯親水性較高，含有大量的含氧官能團，使得它可以作為抗癌藥物的載體，通過藥物靶向輸送的過程使一些特定尺寸的氧化石墨烯在腫瘤組織中高度富集[2]。用氧化石墨烯作為載體，更好的達到治療癌癥的效果。

科學家研究發現，將藥物傳輸中使用的石墨烯涂有具備生物相容性的端氨基酚枝型聚乙二醇[3]，便可以輕易和分子發生功能化。然而這些發生了功能化的氧化石墨烯可以在生理條件下穩定存在。因此，其還適用于高被動體內腫瘤的攝取和光熱消融腫瘤[3]。

2、石墨烯在儲能領域的應用

伴隨著經濟的快速發展和世界人口的不斷增長，越來越多的資源與能源已經發生了急劇短缺，自然環境也在人類的影響破壞下逐漸變差。于是，為了保衛我們賴以生存的環境，人類對可循環利用、具有高效率的能源產生了極大的依賴性。當鋰電池、鉛酸、液流為代表的電化學儲能技術走進人們的視野后，研究人員開始了新的方向研究，而作為傳統儲能材料碳的同素異形體——石墨烯，便成為了人們的主要研究對象。

因為氫能密度低、容易爆炸，才使得石墨烯的出現在能源存儲領域得到了廣泛的應用。希臘大學的科研人員Froudakis等研究了新型的碳材料——3D碳材料，當這種新型碳材料里面摻雜了鋰原子時，石墨烯柱的儲氫量不斷提高，達到6.1%。根據這個數據，Ataca等研究人員利用第一性原理平面波法獲得了石墨烯被鈣原子摻雜后的儲氫量的質量分數，其質量分數達到了8.4%。同時，鈣原子會留在石墨烯的外表面，并且易于循環使用。由于雙電層電容的大小和電極有效比表面積成正比[4]，因此，具備高比表面積、高導電性以及高化學穩定性的石墨烯便可作為雙電層超級電容的電極，如此，更好的將能量以電荷的形式儲存在界面。

3、石墨烯解決印染污水的問題

現如今，人類的生活水平隨著社會的發展已經逐漸走向新階段，因而對物質健康的需求也逐漸增加，為了滿足自己的一己私欲，便不停地向大自然索取，掠奪有限資源、破壞生態環境。其中，環境污染已然成為人們目前所面臨的最重要問題。而污水中常常含有混濁物、污染物等一些有毒有害的物質。自發現石墨烯以來，研究員不斷地探索，發現石墨烯具有極好的吸附性和極高的比表面積，便在其表面進行磺酸基功能化處理，經研究發現，這樣的處理不但可以提高石墨烯的分散性，同時還提高了它對萘和萘酚的吸附能力，其吸附能力高達每克2.4毫摩爾[5]。研究員還發現，當石墨烯和納米金屬結合后，也會提高活性金屬組分的分散性和熱穩定性。利用石墨烯高的分散性、熱穩定性以及吸附性的特點，將石墨烯與納米金屬結合，經過研究，制備出石墨烯/納米金屬復合材料并將其應用于印染廢水的處理中，這樣既可以有效的除去水中有機聚合物、重金屬等污染物，也可以達到循環再生的效果。就目前來說，石墨烯的這些特性，可以在空氣污染、污水處理、以及地下水凈化領域得到廣泛的應用[5]。

4、石墨烯在人們日常生活中的應用

在日益發展的經濟中，人們對衣食住行有了更高的要求，而石墨烯的出現則使人們生活又上一個階梯。其次石墨烯在面膜、服飾以及電池等方面的研究也提供了重要作用。近年來，石墨烯在紡織業的應用也嶄露頭角[6]，其中最主要的便是石墨烯纖維和石墨烯功能織物。自從Gao等[7]利用濕法紡絲法將氧化石墨烯液晶相進行紡絲，首次紡制出石墨烯纖維后，石墨烯纖維出現在我們的視線中，并在紡織行業發揮重要作用，但石墨烯纖維的柔韌性未能滿足紡織業的要求，于是研究員便研制出了石墨烯復合纖維，其高強度、韌性好、可以打成結甚至導電、熱學和抗菌性也有所提高的特點，使其在紡織行業有了前所未有的突破。

5、總結與展望

生活中有很多值得我們去發現的事物，正因為石墨烯具有高比表面積、高強度、抗靜電的優點，才可以在紡織行業發揮作用，而其比表面積、導電、導熱以及透光性等特點，使其被應用到生物醫學、儲能材料、環境保護等眾多領域。石墨烯的研究還在進行，相信在研究人員的不斷努力之下，石墨烯材料必將為提高人們的生活質量、醫療水平、科研探索做出巨大貢獻。

參考文獻：

[1]Zhu Hongwei，Xu Zhiping，Xie Dan.Structure，preparation and characterization of graphene[M].Beijing：Tsinghua University Press.2011.

[2]Chen Yongsheng，Huang Yi.Granphene is a novel two-dimensional carbon nanomaterial[M].Science Press.2013.

[3]Madhuri Sharon，Maheshwar Sharon.An Introduction to the Fundamentals and Industrial Applications[M].Scrivener Publishing LLC.2015.

[4]Fu Changjing.Preparation，structure and application of graphene[M].Harbin Institute of Technology Press.2017.

[5]Xu Chao，Chen sheng，Wang xin.Advances in material chemistry based on graphene[J].Practical Chemistry.2011.

[6]Hu Xili，Tian Mingwei，Zhu Shifeng，Qu Lijun.[J]College of textiles，Qingdao University.266071.

[7]Xu Z，Gao C.Graphene chiral liquid crystals and macroscopic assembled fibre[J].Nature Communications.2011.