石墨烯材料的應(yīng)用前景

王鵬

[摘要]：自2004年被成功制備以來，石墨烯引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。石墨烯材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)。這些優(yōu)異特質(zhì)使其在未來的各個(gè)領(lǐng)域具有戰(zhàn)略性地位。本文主要通過對石墨烯材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，希望對石墨烯材料的應(yīng)用前景有更清晰的認(rèn)識(shí)。

[關(guān)鍵詞]：石墨烯；性質(zhì)；應(yīng)用

[引言]：

碳元素是自然界中最為神奇的元素，在自然界中廣泛存在。在有機(jī)物世界中，碳元素是構(gòu)成眾多有機(jī)物的基本骨架；而在無機(jī)物世界中，碳單質(zhì)的多種同素異形體，從石墨與金剛石，到富勒烯和碳納米管也逐漸被人們認(rèn)知。2004年，曼徹斯特大學(xué)GeimA.K教授等用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，也因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，至此掀起科學(xué)界研究石墨烯的熱潮。

1、石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

石墨烯是由單層碳原子在二維平面內(nèi)以SP2雜化方式形成蜂窩平面薄膜，可在二維平面內(nèi)無限延伸。碳原子最外層有四個(gè)未成鍵的電子，石墨烯中每個(gè)碳原子中有三個(gè)外層電子與其他三個(gè)碳原子形成C?C共價(jià)鍵，而其余一個(gè)未成鍵電子在與二維平面垂直的方向形成π鍵。

石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)決定其擁有特殊的性質(zhì)：

1.1電學(xué)性質(zhì)：石墨烯是目前已知的電阻率最低的材料。石墨烯中π電子位于與平面垂直的p軌道內(nèi)，其自由運(yùn)動(dòng)不會(huì)與碳原子核發(fā)生碰撞，因此石墨烯中自由電子的運(yùn)動(dòng)受到的阻力極低。相關(guān)研究表明，電子在石墨烯上的傳遞速率可達(dá)光速的1/300，在特定條件下，石墨烯的電子遷移率可以達(dá)到25000 cm2V-1s-1，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了目前已知的所有半導(dǎo)體材料[1]。

1.2力學(xué)性質(zhì)：石墨烯特殊的成鍵方式，使其晶格結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，是目前為止最強(qiáng)、最硬的材料。其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為 125 GPa和 1.1TPa，楊氏模量約為42 N/m2[2]，石墨烯的力學(xué)性質(zhì)意味著它可以承受巨大的作用力，其柔韌性也保證它在彎曲變形的同時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞。

（3）光學(xué)性質(zhì)：單層石墨烯對可見光以及近紅外波段光垂直的吸收率僅為2.3%[3]，對所有波段的光無選擇性吸收，因此它的透光率極大，幾乎是透明狀態(tài)。

（4）導(dǎo)熱性質(zhì)。石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)決定其具有良好的導(dǎo)熱性，研究表明石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)5000Wm-1K-1[4]。

2、石墨烯材料的應(yīng)用

石墨烯的特殊性能意味著石墨烯及其衍生材料有著巨大的應(yīng)用前景，已經(jīng)或者未來將被使用在諸如電子信息、能源、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域。

2.1石墨烯在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯材料因其優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，將會(huì)在在電子信息領(lǐng)域發(fā)揮革命性的作用。

在過去的幾十年中，硅基材料一直是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心材料，但面臨著難以進(jìn)一步集約化、微型化的難題。石墨烯的出現(xiàn)，有望成為硅的代替品，電子信息領(lǐng)域也由“硅時(shí)代”進(jìn)入“碳時(shí)代”[5]。一方面，石墨烯具有超高的電子遷移率，用石墨烯取代硅制造芯片，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍；石墨烯良好的導(dǎo)熱性，允許計(jì)算機(jī)可以有更高的運(yùn)行頻率，同時(shí)消耗更少的能耗；同時(shí)也為未來電子產(chǎn)品的進(jìn)一步微型化提供了可能。另一方面，石墨烯作為單原子層的二維材料，幾乎是透明的，同時(shí)具有極佳的柔韌性，因此它非常適合作為柔性的、透明的電子產(chǎn)品的原料，比如可以卷曲的手機(jī)屏幕等，這將極大地改善人們的體驗(yàn)效果。

2.2石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，主要有太陽能電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器[6]。

2.2.1太陽能電池：太陽能電池作為把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，受到越來越多的關(guān)注。目前使用最廣的主要是硅太陽能電池，但是制造成本高，且會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。石墨烯由于其優(yōu)異的電化學(xué)性能，在太陽能電池方面具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面，石墨烯材料的高透光性、載流子遷移率高、寬光譜范圍等特性，能極大提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率；另一方面，在室溫條件下，石墨烯性質(zhì)穩(wěn)定，保證了太陽能電池的穩(wěn)定性。

2.2.2鋰離子電池：鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣的二次電池，大多使用在在便攜式電子設(shè)備中，近來逐漸被用于大功率的動(dòng)力電池領(lǐng)域。石墨烯具有高的比表面積、sp2雜化的二維平面結(jié)構(gòu)，這使得石墨烯具有最高的電子導(dǎo)電性，從而成為制備鋰離子電池電極材料的最佳候選材料。目前的研究現(xiàn)狀是將石墨烯與與硅基、錫基、釩系等其他材料進(jìn)行復(fù)合，作為鋰離子電池的電極材料，能極大提高鋰離子電池的能量密度和充放電速率，但在使用壽命和穩(wěn)定性方面存在問題，需要進(jìn)一步的研究。

2.2.3超級(jí)電容器：超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置，具有高功率、相對高的能量密度、循環(huán)壽命長、安全性和環(huán)境友好性等特點(diǎn)。石墨烯的高比表面積、優(yōu)異的電學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能等特點(diǎn)，在超級(jí)電容器領(lǐng)域備受關(guān)注。Stoller等[7]以KOH化學(xué)改性的石墨烯作為電極材料，驗(yàn)證了石墨烯應(yīng)用在超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域的可行性。石墨烯作為超級(jí)電容器的電極材料可以大幅提高電容值，同時(shí)也可以保證其發(fā)生柔性變形是電化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，因此柔性超級(jí)電容器具有很好的應(yīng)用前景。

2.3石墨烯在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)境污染是當(dāng)今社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)，尤其是空氣污染和水污染會(huì)嚴(yán)重危害人們的健康。石墨烯材料在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域也可以起到相應(yīng)的作用。石墨烯材料巨大的比表面積賦予其優(yōu)良的吸附能力，尤其是對有機(jī)物吸附性更強(qiáng)，因此石墨烯有望成為繼活性炭之后最有效、最廣泛的吸附劑。同時(shí)，功能化石墨烯材料含有豐富的含氧基團(tuán)，這些含氧基團(tuán)能夠高效地與重金屬離子作用，可以應(yīng)用于凈化重金屬離子污染的污水。此外，石墨烯還可以與金屬、金屬氧化物等構(gòu)成復(fù)合材料，不僅對金屬離子的吸附具有高度選擇性，而且通過負(fù)載光催化材料，如TiO2，可以有效分解有毒、有害的有機(jī)物，在污水處理和空氣凈化中都可以發(fā)揮很大作用[8]。

2.4石墨烯在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

功能化石墨烯表面含有大量的活性基團(tuán)，比如羰基、羧基、羥基及環(huán)氧基等，這些基團(tuán)使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性，因此可以應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[9]。

2.4.1藥物載體：目前癌癥的治療手段主要為化療和放療，但是這兩種治療效果不佳且存在許多的副作用。石墨烯較大的比表面積和其衍生物表面豐富的官能團(tuán)（環(huán)氧基、羥基、羧基）與抗癌藥物結(jié)合形成的復(fù)合物通過修飾、控制顆粒的大小以及利用可透過血腦屏障等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)癌癥藥物的靶向治療，是一個(gè)很有前景的材料。

2.4.2抗菌：人類濫用抗生素導(dǎo)致耐藥性、超級(jí)細(xì)菌的產(chǎn)生，所以人類不得不從新的角度去發(fā)展抗菌類藥物，不僅要提高抗菌效果，還要減小對人類及環(huán)境的危害。近年來，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯及其衍生物與動(dòng)物細(xì)胞具有很好的生物相容性，可以與細(xì)菌相互作用起到抗菌作用。石墨烯及其衍生物除了自身與細(xì)菌作用之外，石墨烯家族還可以充當(dāng)抗菌藥物的載體。

2.4.3檢測與傳感：目前利用石墨烯及其衍生物來制造電化學(xué)傳感器和生物傳感器以提高檢測性能方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。目前石墨烯以及電極修飾的石墨烯復(fù)合材料已被提倡用于臨床、環(huán)境等方面的檢測，其中血糖測量用的最廣泛，比起傳統(tǒng)方法提高了檢測的靈敏度。

2.5石墨烯在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯材料在航空航天領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用潛力。隨著航空航天活動(dòng)越來越頻繁，對高性能的航空航天材料的需求越來越迫切；而且由于航空航天材料的使用環(huán)境和條件特殊，對其性能的要求更為苛刻[10]。石墨烯材料的優(yōu)異性質(zhì)，恰好可以滿足這些要求。石墨烯具有優(yōu)越的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能和阻隔性能，這些性能在航空航天領(lǐng)域都至關(guān)重要。石墨烯材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，可作為航天器的結(jié)構(gòu)材料；石墨烯可以增強(qiáng)粉末高溫合金，在提高其機(jī)械性能的同時(shí)改善其耐高溫性能；石墨烯與其它材料復(fù)合，還可以將熱、電和阻隔性能賦予材料，為材料的多功能創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

3、結(jié)語

如上所述，石墨烯材料在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得很大進(jìn)展，能夠給這些領(lǐng)域帶來巨大的進(jìn)步，但相關(guān)研究大都處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未達(dá)到成熟應(yīng)用的水平。因此，石墨烯材料的實(shí)際應(yīng)用還有很長的一段路要走。要想使石墨烯材料盡早地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，真正為人們所用，還要解決許多關(guān)鍵性的技術(shù)問題，這也是研究人員的目前的研究熱點(diǎn)。相信隨著研究的深入，技術(shù)的成熟，石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更加廣泛，人類社會(huì)將進(jìn)入全新的“碳時(shí)代”。

[參考文獻(xiàn)]：

[1] 楊常玲， 劉云蕓， 孫彥平. 石墨烯的制備及其電化學(xué)性能[J]. 電源技術(shù)， 2010，34（2）：177-180.

[2] 韓同偉， 賀鵬飛， 駱英，等. 石墨烯力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展， 2011， 41（3）：279-293.

[3] 陳英良， 馮小波， 侯德東. 單層與雙層石墨烯的光學(xué)吸收性質(zhì)研究*[J]. 物理學(xué)報(bào)， 2013，62（18）：187301.

[4]張文毓， 全識(shí)俊. 石墨烯應(yīng)用研究及進(jìn)展[J]. 傳感器世界， 2011， 17（5）：7-12.

[5]吳波. 石墨烯的研究現(xiàn)狀及其在電子信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景[J]. 中國玻璃， 2015（6）：27-30.

[6] 徐馳， 朱和國， XUChi，等. 石墨烯的制備及其在能源方面的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2016， 34（2）：326-332.

[7] STOLLER M D， PARK S， ZHU Y， et al. Graphene-based ultracapacitors [J]. NanoLett， 2008， 8（10）： 3498-3502.

[8] 程夢婷， 劉倩， 劉稷燕，等. 石墨烯在環(huán)境有機(jī)污染物分析中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 環(huán)境化學(xué)， 2014， 1（10）：1733-1743.

[9] 俞淼， 武洋， 蘇昊然，等. 石墨烯及其衍生物的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J]. 中國醫(yī)藥生物技術(shù)， 2016， 11（4）：346-350.

[10]唐見茂. 航空航天復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 航天器環(huán)境工程， 2013， 30（4）：352-359.