石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用

摘要：石墨烯從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了十年的時(shí)間。從當(dāng)初的概念材料變成現(xiàn)實(shí)中真正的材料，石墨烯已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)石墨烯的關(guān)注一直居高不下，對(duì)石墨烯的應(yīng)用前景有非常大的信心。

關(guān)鍵詞：石墨烯 制備 功能化 化學(xué)應(yīng)用

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖格夫成功地在實(shí)驗(yàn)中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在。

石墨烯是已知的世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，是一種透明、良好的導(dǎo)體，因此應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，兼具良好的軍事和民用用途。時(shí)至今日，石墨烯材料的制備已經(jīng)更加的多元化和功能化，制備模式也更加豐富，對(duì)于促進(jìn)當(dāng)代化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展有著重要意義。

一、石墨烯的制備

1.微機(jī)剝離法

微機(jī)剝離法是石墨烯最早的發(fā)現(xiàn)和制備方法，該方法的操作原理是利用癢等離子束在高取向熱解石墨材料表面進(jìn)行槽面的刻蝕處理，具體刻蝕的尺寸標(biāo)準(zhǔn)為20.0nm～2.0nm（寬度），5.0nm（深度）。將講過處理后的高取向熱解石墨壓制在SiO2/Si基底基礎(chǔ)之上，通過熔燒的方式，對(duì)多余的石墨片進(jìn)行反復(fù)的剝離。經(jīng)過以上處理以后，將石墨薄片完全浸潤(rùn)在丙酮溶液中，通過超聲清洗的方式，依賴于顯微鏡挑選鏡下檢出單原子層特點(diǎn)的石墨烯材料。微機(jī)剝離法剝離制備的石墨烯結(jié)構(gòu)完整，具有高電導(dǎo)性，但制備過程繁瑣，生產(chǎn)效率較低，并不適用于大規(guī)模石墨烯材料的生產(chǎn)。

2.外延生長(zhǎng)法

外延生長(zhǎng)法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)的結(jié)構(gòu)種出石墨烯。通過將含有4H/6H-SiC的Ir或者Ru等單晶在超高真空環(huán)境下高溫退火處理，使碳元素向晶體表面偏析，形成外延單層石墨烯薄膜。通過優(yōu)化生長(zhǎng)條件獲得理想的毫米級(jí)外延石墨烯二維單晶材料。這種高質(zhì)量石墨烯的獲得，為石墨烯基礎(chǔ)問題的深入研究及其進(jìn)一步在器件方面的應(yīng)用提供了一種新的方法和理想體系。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片大小受限于基底的尺寸，成本高，實(shí)驗(yàn)消耗大，往往石墨烯厚度不均，而且石墨烯和基質(zhì)之間的粘合會(huì)嚴(yán)重影響碳層的特性。

3.氧化還原法

氧化石墨烯的還原制備方法，是目前應(yīng)用最廣泛的可大量制備石墨烯的方法之一。在氧化石墨烯的制備過程中，盡管氧原子的引入，破壞了石墨層的共軛結(jié)構(gòu)，使剝離生成的氧化石墨烯失去了導(dǎo)電性，但通過還原的方法，可以對(duì)氧化石墨烯平面的共軛結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫氧修復(fù)，這樣就可以得到還原態(tài)的石墨烯，其導(dǎo)電性顯著增加。已經(jīng)知道的還原氧化石墨烯的方法主要有水合脛還原法、純脛還原法、維生素C還原法、強(qiáng)堿超聲還原法、紫外光化學(xué)換研法、電化學(xué)還原法、高溫還原法、水熱脫水還原法等。通過對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原來制備石墨烯的方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，石墨原材料豐富，制備工藝設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模石墨烯的制備。

二、石墨烯的功能化

1.石墨烯的共價(jià)鍵功能化

石墨烯的共價(jià)鍵功能是當(dāng)前研究最廣泛的功能化方法，盡管石墨烯的主體部分由穩(wěn)定的六元環(huán)構(gòu)成，但其邊沿以及缺陷部位具有較高的反映活性，可以通過化學(xué)氧化的方法制備石墨烯氧化物。由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性集團(tuán)，可以利用多種化學(xué)反應(yīng)對(duì)石墨烯進(jìn)行共價(jià)鍵功能化。其方法包括石墨烯的有機(jī)小分子功能化、石墨烯的聚合物功能化等。

2.石墨烯的非共價(jià)鍵功能化

除了共價(jià)鍵功能化外，還可以利用離子鍵以及氫鍵等非共價(jià)鍵作用，使裝飾分子對(duì)石墨烯進(jìn)行表面功能化，形成穩(wěn)定的分散體系。非共價(jià)鍵功能化技術(shù)的主要特點(diǎn)是通過應(yīng)用聚合物包裹技術(shù)或者是物理吸附技術(shù)的方式，在不對(duì)石墨烯材料自身分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的前提下，實(shí)現(xiàn)功能化處理。有關(guān)研究中表示，可以在經(jīng)過氧化處理的石墨烯材料表面應(yīng)用聚苯乙烯磺酸鈉進(jìn)行修飾處理，通過化學(xué)還原的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯材料的功能化處理。經(jīng)過處理后的石墨烯材料與聚泵乙烯磺酸鈉之間的非共價(jià)鍵作用相對(duì)明確，避免了石墨烯片的規(guī)模性聚積反應(yīng)，從而達(dá)到了鞏固石墨烯材料應(yīng)用性能的重要目的。

三、石墨烯在化學(xué)中的應(yīng)用

1.石墨烯在鋰離子電池中的運(yùn)用

對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的研究，一直都集中在碳質(zhì)材料、合金材料和符合材料等方面。碳質(zhì)材料是最早為人們所研究并應(yīng)用與鋰離子電池商品化的材料，石墨烯作為一種由石墨出發(fā)制備的新型碳質(zhì)材料，單層或者薄層石墨在鋰離子電池里的應(yīng)用潛力也受到人們的高度關(guān)注，石墨烯應(yīng)用與鋰離子二次電池負(fù)極材料中的性能，其比容量可以達(dá)到540mAh/g。如果在其中摻入C60和碳納米管后，負(fù)極的比容量可以達(dá)到784mAh/g和730mAh/g。

2.石墨烯在化學(xué)、生物傳感器中的應(yīng)用

石墨烯是碳原子精密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新型材料，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本單元，具有良好的結(jié)晶性和機(jī)械強(qiáng)度，非常高的電子轉(zhuǎn)移速率和電導(dǎo)率，便于銹蝕，非常高的比表面積，對(duì)分子有很強(qiáng)的吸附能力，良好的生物兼容性，對(duì)生物分子的選擇性吸附，對(duì)于常見的熒光物質(zhì)具有高效的淬滅作用，目前在化學(xué)、生物傳感、活細(xì)胞成像和生物分子分離方面，已經(jīng)展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.石墨烯在儲(chǔ)氫/甲烷材料中的應(yīng)用

石墨烯與碳納米管結(jié)合，可以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于儲(chǔ)氫，通過計(jì)算方法得知在摻雜羥離子的情況下，其常壓儲(chǔ)氫能力可以達(dá)到41h/L。利用剝離氧化石墨并進(jìn)行納米轉(zhuǎn)換得到的材料在一個(gè)大氣壓下，77K可以吸附1.7%的氣體，氫氣吸附量歲表面的改變而呈線性變化，在100個(gè)大氣壓，298K條件下吸附量可以達(dá)到甚至超過3%，表明單層石墨烯具有更大的儲(chǔ)氫量。

四、結(jié)語

作為當(dāng)前世界上發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬、最薄的碳質(zhì)材料，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。關(guān)于石墨烯應(yīng)用的研究層出不窮，石墨烯的發(fā)現(xiàn)必然將改變現(xiàn)在人類的日常生活方式，在人們的生活中大放異彩。然而，石墨烯如果想實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，還有一段很長(zhǎng)的路要走，需要繼續(xù)對(duì)石墨烯的制備和應(yīng)用進(jìn)行更加努力、更加深入的研究。

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