石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用

隋慧文，劉滿倉，張 浩

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110179）

石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用

隋慧文，劉滿倉，張 浩

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110179）

石墨烯作為新興化學(xué)材料的一種，其發(fā)現(xiàn)推進了人類化學(xué)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)從硅時代邁入碳時代進程。已知的石墨烯，是一種只有一層的碳原子晶體，具有較大的開發(fā)潛力。在化學(xué)中，石墨烯具有的功能、如何制備及應(yīng)用，是本文將要探討的主要問題。

石墨烯；化學(xué)應(yīng)用；碳材料

石墨烯在發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家逐步對其性能進行測試，逐步掌握了許多實際應(yīng)用性能，根據(jù)其性能，人們可以制作出許多具有實際應(yīng)用價值的產(chǎn)品，這極大地推動了人類社會的發(fā)展，本文通過探討石墨烯的制備及性能，希望其可以在化學(xué)方面進一步應(yīng)用，制造出更多新型產(chǎn)品，為人們生活提供便利。

1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)

石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程有一定的戲劇性，在偶然的試驗過程中，物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)，將石墨用透明膠帶粘貼后，撕下來的石墨層厚度，只有幾十個原子，通過一次次的實踐，最終其得到了石墨烯，一種超薄高導(dǎo)材料[1]。

2 制作方法

制作石墨烯的方法有很多，以下主要講述幾種方法。

2.1運用機械進行抽離

此方法是運用其他離子在定向時，在相關(guān)設(shè)備里對石墨進行高溫加熱，將其表面刻印出一定的面積，將其壓在涂有類似感光劑等對光敏感液體的底座上，經(jīng)過燒制后，用透明膠帶粘貼掉多余的石墨后，將底座上的其他石墨片浸泡在化學(xué)液體中，運用超聲波進行清洗，得到厚度較小的石墨片。此方法可以得到只有幾層疊加石墨烯，但操作過程復(fù)雜，無法將石墨烯進行批量生產(chǎn)。

2.2氧化制出

此方法先將石墨通過化學(xué)物質(zhì)使其表面物質(zhì)與氧結(jié)合失去電子活性，得到含有羰基等有機原子團的石墨氧化物，得到氧化物的過程可以擴大石墨層之間的距離，之后通過其他具體剝離方式將其分離開后，可得到石墨烯氧化物，再對氧化物作進一步還原，從而制作出石墨烯。使用此方法可以批量生產(chǎn)只有一層的石墨烯片，可進一步應(yīng)用在實際生產(chǎn)中。

2.3運用化合物合成

此種方法是運用具有一定量的具有完整結(jié)構(gòu)的多層石墨烯，通過化合物將其與其他物質(zhì)進行化學(xué)作用，從而合成出石墨烯納米帶。此種方法生產(chǎn)過程較簡單，可在一定情況下使用其制出石墨烯。

2.4化學(xué)氣體沉積

此種方法是先將石墨烯制成顆粒狀，此顆粒是經(jīng)過通過高溫分解其他化學(xué)物質(zhì)后產(chǎn)生熱量后，將其放置在高溫平面降溫使石墨原子沉淀制出，而后用化學(xué)方法對顆粒狀石墨烯進行腐蝕過程，去除粘在石墨烯表面上的其他物質(zhì)得到石墨烯片。此方法可以制作出較大面積的石墨烯片，且質(zhì)量很高，可以應(yīng)用在實際生產(chǎn)中制作石墨烯[2]。

3 具備的性能

3.1水溶性

由于石墨烯是單層碳元素構(gòu)造，其六角形的分子結(jié)構(gòu)相比較于其他形勢穩(wěn)定，可以對石墨烯表面進行包裹。此方法可以在不破壞石墨烯結(jié)構(gòu)的前提下對其進行應(yīng)用，運用石墨烯與其他物質(zhì)具有較強的鍵力這一原理，通過化學(xué)物質(zhì)的作用，將石墨烯分散在水中無法形成晶體，使其可以有進一步的應(yīng)用。

3.2與其他物質(zhì)摻雜作用

將F4-TCNQ分子進行低溫蒸發(fā)后，得到其與石墨烯摻雜后的物質(zhì)，用對光辨識度高的設(shè)備進行操作，可以發(fā)現(xiàn)在石墨烯上的電子，從而轉(zhuǎn)移到與其摻雜的其他分子上，證明了石墨烯可以通過與其他分子摻雜后，可以導(dǎo)電，這一實驗得到了石墨烯的又一特性。通過進一步測試，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯在溶劑中分散后可以將其攜帶的電子轉(zhuǎn)移到溶劑中，且由于石墨烯與其他物質(zhì)作用后，甚至在水中也可以很好地分散到各個角落。

4 實際應(yīng)用方式

4.1制作電極

由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，并且可以對其進行氧化，目前已經(jīng)在制作電極材料中得到應(yīng)用。將石墨烯氧化物通過一定方法附著在金電極表面，可以形成由石墨烯包圍的電極，實驗表明，石墨烯可以將電子轉(zhuǎn)移到其他物質(zhì)中，應(yīng)用后的石墨烯對氧分子和過氧化氫化合物有良好的催化作用，通過對石墨烯進行過電設(shè)置可以使這兩種物質(zhì)進行化學(xué)還原反映。通過這種特性，石墨烯可以為許多電極覆膜并制成新型傳感器。

4.2綠色化學(xué)電容器

目前國家加大對綠色環(huán)保材料的開發(fā)，將各種裝置的可持續(xù)化。電容器通常是指電池、電平等儲蓄電的裝置，這些裝置在使用后，被當(dāng)作垃圾隨意丟棄，會釋放出大量有毒化學(xué)物質(zhì)，危害環(huán)境。由石墨烯構(gòu)成的新型化學(xué)電容器具有環(huán)保特效，并且可以增加電容器輸出的最大功率、受電快、充電迅速[3]。

4.3作為載體

石墨烯由于其構(gòu)成的穩(wěn)定性，可以與易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)結(jié)合，增加被結(jié)合物質(zhì)的穩(wěn)定性，如催化劑等。催化劑由于自身化學(xué)結(jié)構(gòu)相對松散，在運輸、傳導(dǎo)過程中易與其他物質(zhì)發(fā)生作用，與石墨烯摻雜后，可以增加其傳輸過程的安全度。

5 結(jié)束語

筆者希望，通過本文對石墨烯制作方法及其功能和用途的介紹，可以更好地將石墨烯的化學(xué)運用與實際生產(chǎn)生活相結(jié)合，使企業(yè)經(jīng)營效益提升，促進化學(xué)制造業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)勞動效率提高，進而推動國家經(jīng)濟向前發(fā)展。

[1] 黃海平，朱俊杰.新型碳材料——石墨烯的制備及其在電化學(xué)中的應(yīng)用[J].分析化學(xué)，2011，（7）：963-971.

[2] 李松，顏紅俠，張夢萌，等.石墨烯的功能化及其在聚合物改性中的應(yīng)用研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2013，（6）：86-94.

[3] 魏志凱，張煥，鄭明森，等.基于石墨烯的功能化復(fù)合材料及其在電化學(xué)儲能中的應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，（5）：640-651.

Preparation of Graphene，F(xiàn)unction and Its Application in Chemistry

Sui Hui-wen，Liu Man-cang，Zhang Hao

Graphene as a new chemical material，which was found to promote human chemical and related industries into the era of carbon from the silicon era process.Known graphene is only one kind of carbon atoms in a crystal layer，with great potential for development.In chemistry，graphene has a function，how to prepare and use，is a major issue that will be discussed herein.

graphene；chemistry；carbon material

TQ127.11

A

1003-6490（2016）01-0058-02

2015-01-15

隋慧文（1993—），男，遼寧朝陽人，本科在讀，主要研究方向為應(yīng)用化學(xué)。