石墨烯納米材料的制備及其應用研究進展

季一媛

（安徽師范大學皖江學院 安徽 蕪湖 241000）

引言

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。每個碳原子通過σ鍵與相鄰的3個碳原子相連。石墨烯材料具有諸多優異的性能，自 2004年問世后便備受關注[1]。

1 石墨烯的制備

主要有機械剝離法，取向附生法，氧化石墨還原法，化學氣相沉淀法，化學合成法。

1.1 微機剝離法

2004年英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)和他同事首先將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，用塑料膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復，得到越來越薄的石墨薄片(理論厚度只有0.34nm)，部分樣品僅由一層碳原子構成為石墨烯，引發了新一波碳質材料研究熱潮。但這種方法獲得石墨烯尺寸不易控制，無法制備出足夠大小滿足要求的石墨烯，因此不能滿足工業大規模化的需求。

1.2 氧化還原法

常見的化學還原，熱還原等方法制取中，由于表面含氧集團的減少，導致石墨烯在水中的分散性變差，無法更好的分離出。為了得到更高含量的石墨烯，氧化還原反應成為關鍵的一步。基于經典的改進Hummers 法[2]，石墨浸泡在含有濃硫酸，雙氧水的酸性溶液里，得到石墨間化合物。以硝酸，濃硫酸、及高錳酸鉀等強氧化劑對石墨原材料進行插層滲入石墨片間氧化得到氧化石墨(GO)。再將表面含氧官能團除去得到石墨烯。該方法操作簡單，制備成本低，成為制備石墨烯材料的有效途徑。還可以制備同樣具有應用卓越前景的功能化石墨烯—氧化石墨烯（GO）。GO具有強穿透性，與金屬表面容易結合，綠色環保[3]。因此，在金屬表面可提高其防腐性能，通過形成共價鍵提高涂層附著力[4]。通過進一步研究應用于淡化海水、分離水油等領域,解決廣域狀況下的 耐蝕性、提高金屬基體與涂層材料穩定性黏結力等難題。

1.3 化學氣相沉淀法（CDV）

CDV制取石墨烯是反應物(含有碳源）在高溫加熱條件下發生化學反應，在襯底（過渡金屬、合金）上生成，分離出的石墨烯與襯底。研究顯示d軌道的填充情況決定金屬與碳的相互作用強弱[5].對于Cu部分3d電子轉移到4s軌道，則有空軌道d，于是具有一定的催化能力，使Cu成為適合的石墨烯生長的催化襯底材料之一[6]。CDV方法制備的石墨烯具有大面積高質量，但成本過高工藝復雜。

2 應用前景/發展狀況

現階段石墨烯在水處理、電池、傳感器、防腐、導熱、導電等涂料都有應用。石墨烯和石墨烯二維材料層狀化學摻雜敏感。DNA石墨烯電化學傳感器，可以靈敏診斷基因突變，對環境中污染物無標記檢測，也可應用于新藥物的研發。由石墨烯或氧化石墨烯納米片組合形成的材料—GO氣凝膠擁有高比表面積、高孔隙特質，含氧官能團（-COOH、-OH）的親水性，與諸多溶劑都有相容性等特質，從而使其表現出優秀的吸附性能。

3 總結與展望

石墨烯各種頂尖性只能在質量較高時才能體現，隨著層數的增加和內部缺陷的累積，諸多良好的性能隨之減低。所以真正的實現石墨烯應用的產業化，必須在制備方法上尋求新的突破。只有工業化的石墨烯制法的出現，才能使其產業化真正到來！在大規模產業化生產的前夕，發達國家聚集石墨烯功能器件研發和應用，在未來的5至10年中全球石墨烯市場將進入高速發展期！