石墨烯在化生領(lǐng)域的應(yīng)用展望

李江存 杜鎮(zhèn)瀟 梁婷 王悅 江丁洋 嚴(yán)坤

摘 要：石墨烯是一種新型材料，是由碳原子構(gòu)成的單層片狀二維晶體，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、透明性和極強的力學(xué)性能。石墨烯是目前最薄電阻率最小且堅硬的納米材料。常見的制備方法有：剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法和溶劑熱法等。本文在簡要闡述石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)基礎(chǔ)上，介紹其制備方法及各方法的優(yōu)缺點。對石墨烯在傳感器、野戰(zhàn)飲水處理器、防毒面具、防護(hù)服和晶體管等化生領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯 核生化領(lǐng)域 應(yīng)用展望

中圖分類號：TB32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0083-02

石墨烯（Graphene）是化學(xué)領(lǐng)域里一種新型材料，它的結(jié)構(gòu)是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)[1]。由于石墨烯非常低的電阻率，因而電子遷移的速度極快，基于這個特性，它是目前世界上十分堅硬的最薄的電阻率最小的納米材料。因此，石墨烯材料有望用來被制成導(dǎo)電速度更快的全新極薄電子元件或晶體管。石墨烯的眾多化學(xué)特性使其成為傳感類物品的新希望。尤其是它對一些酶具有十分強大的電子遷移能力，使其適合做基于酶的生物傳感器。本文在簡單介紹石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)基礎(chǔ)上，對其在核生化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

石墨烯是碳材料的一種，擁有碳材料所有的性質(zhì)并且更加出色。石墨烯的碳原子碳原子雜化方式是sp2雜化，每個碳原子與其相鄰的三個碳原子之間不僅以很強的共價σ鍵結(jié)合，且互成120°角，因此構(gòu)成了石墨烯的獨特的六角晶格[2]。在低溫時，石墨烯的熱導(dǎo)效應(yīng)大部分由其中的彈道傳輸所控制，在高溫時是由光子傳導(dǎo)的。經(jīng)過研究，室溫下石墨烯是目前所有已知的化學(xué)材料中熱導(dǎo)率最高的。因此，憑借其優(yōu)異的熱導(dǎo)性能，它在許多微熱電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用前景極其重大。石墨烯的六角型蜂窩狀晶格，是其獨特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能。石墨烯也同樣有著極高的透明度，在可見光范圍，石墨烯薄膜的透明度隨著膜厚的增加而降低。

2 石墨烯的制備方法

石墨烯稀有的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)決定了其制備方法成為了化學(xué)界的焦點。常見的石墨烯材料制備方法主要有：剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法和溶劑熱法等。

石墨烯剝離法是通過對石墨晶體施加機械力，分離出來石墨烯或石墨烯納米片層。石墨烯剝離法工藝簡單、制作成本低，是最經(jīng)濟(jì)的石墨烯制備方法。主要的剝離法有機械剝離、熱膨脹剝離、電化學(xué)剝離和溶劑剝離法等。其中機械剝離法最為常用，通過外力的作用，從石墨晶體表面剝離出石墨烯層，轉(zhuǎn)移到載體表面獲得石墨烯。Nocoselov[3]等就是用透明膠帶反復(fù)剝離高定向熱解石墨獲得石墨烯的。

氧化還原法的化學(xué)原理是在所使用的材料生成氧化石墨后，加入一定的強堿等還原劑或者使用相應(yīng)的熱剝離等還原方法來去掉表層的含氧基團(tuán)，從而得到石墨烯。根據(jù)氧化劑和還原劑所使用的材料不同，氧化法還原又分以下方法：Hummer氧化法、Brodie氧化法以及Staudenmaier氧化法[4]。這種方法的優(yōu)勢是可以有效解決石墨烯在溶劑里難分散等問題，但缺點是難以處理制作過程中產(chǎn)生的化學(xué)污染。

化學(xué)氣相沉積法的原理是利用氣相反應(yīng)，在加熱的原材料表面生成固態(tài)石墨烯[2]。這樣做的好處是成本低，滿足了石墨烯規(guī)?；a(chǎn)需求。而壞處在于提高了石墨烯的制備難度。

溶劑熱法是在密閉的高壓釜中加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界溫度后，利用系統(tǒng)中自身產(chǎn)生的高壓來獲取石墨烯的方法，這是一種新的途徑。它不僅實現(xiàn)了在高溫高壓封閉體系下制備石墨烯，同時也化解了工業(yè)規(guī)?；闹谱麟y題。

3 石墨烯在化生領(lǐng)域的應(yīng)用展望

3.1 石墨烯化生傳感器上的應(yīng)用

石墨烯及其衍生物具有超高的比較面積和導(dǎo)熱率、超強的力學(xué)性能和導(dǎo)電率以及良好的生物相容性等眾多優(yōu)異性能，使其成為構(gòu)建生物傳感器重要的支撐材料和強大的優(yōu)異平臺。石墨烯做為電化學(xué)型的生物傳感器能夠?qū)Χ喟桶罚―A）、抗壞血酸（AA）、尿酸（UA）進(jìn)行原位檢測。目前電化學(xué)生物傳感器件常見的有安培型、電化學(xué)發(fā)光型、電化學(xué)阻抗型、場效應(yīng)晶體管型、光電化學(xué)型等5種[5]。在光學(xué)生物傳感器制備與修飾研究中，石墨烯由于特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)獲得了廣泛的關(guān)注。于此同時，氧化石墨烯的熒光淬滅性與其被氧化的程度相關(guān)。根據(jù)石墨烯的光學(xué)特性，人們開始了針對石墨烯熒光、可視傳感器及表面增強拉曼傳感器的研究。

3.2 石墨烯炭海綿野戰(zhàn)飲水處理器

石墨烯、碳納米管可以做成無若干個孔隙的三維多孔材料?！疤己＞d”具有高彈性一級高吸油能力。它被迫壓縮后，能夠恢復(fù)到原來的樣子，對一些有機的溶劑有很強的吸引力，是現(xiàn)今為止，已知的吸油力最高的材料。現(xiàn)有的吸油材料一般只能吸附自身質(zhì)量十倍左右，而“碳海綿”的吸收量平均是其25倍，最高可達(dá)普通材料的90倍，只吸油不吸水。大胃王碳海綿吃掉有機物的速度也是快的讓人意想不到：每秒就能夠吸收68.8g的有機物[6]。鑒于石墨烯的高效吸附功能，將其應(yīng)用于抽壓式凈水處理器的過濾部件能更好地處理野外飲用水，以及特定情況下污染區(qū)內(nèi)采水的問題。

3.3 石墨烯防毒面具、防護(hù)服

軍用濾毒罐所用的活性碳微孔較發(fā)達(dá)，是吸附發(fā)生的主要場所，吸附作用主要由碳和吸附質(zhì)分子之間的范德華力決定。相對于軍用濾毒罐中所用的活性炭，石墨烯具有更好的吸附能力以及吸著量，還能重復(fù)多次循環(huán)利用。所以，如果未來將石墨烯應(yīng)用在這些方面，將為在與毒魔斗爭一線工作的官兵提供更加可靠安全的防護(hù)設(shè)備，能大大提高工作效率與工作質(zhì)量。

3.4 石墨烯在晶體管上的應(yīng)用

由于目前化學(xué)理論和物理方法的制約，針對硅晶體管的研究已基本到達(dá)盡頭，因此尋找新的替代材料勢在必行。石墨烯超大比表面積，使其對于大規(guī)模生產(chǎn)集成設(shè)備具有很強的優(yōu)勢。再加上石墨烯制成的晶體管速度更快，因而很可能成為新一代晶體管更加符合的電極材料。

4 結(jié)語

石墨烯作為一種新型材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、透明性和極強的力學(xué)性能，是目前最薄電阻率最小且堅硬的納米材料。其常見的制備方法有：剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法和溶劑熱法等。本文在簡要闡述石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)基礎(chǔ)上，介紹其制備方法及各方法的優(yōu)缺點。對石墨烯在傳感器、野戰(zhàn)飲水處理器、防毒面具、防護(hù)服和晶體管等化生領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。鑒于石墨烯各項針對性的實驗未能開展得不到相關(guān)數(shù)據(jù)，所以沒有在論文中展現(xiàn)，但是對于已有的各種碳材料，石墨烯的優(yōu)勢十分明顯。如果石墨烯的制備工藝得到突破，能夠大量較為廉價的得到石墨烯，那么所有的猜想都能夠?qū)崿F(xiàn)，石墨烯的軍工裝備就可以大量裝備。

參考文獻(xiàn)

[1] 王天華，易莎莎，紀(jì)三郝.國內(nèi)外石墨烯應(yīng)用研究發(fā)展與展望[J].化學(xué)工程與裝備，2015，1（9）：164-165.

[2] 陸璐.石墨烯的制備方法和應(yīng)用[J].廣州化工，2013（15）：27-29.

[3] 張利萍.石墨烯研究進(jìn)展及展望[J].內(nèi)蒙古石油化工， 2016（Z1）：11-12.

[4] 陳政龍，高靈清.石墨烯常用制備和表征方法研究狀態(tài)分析[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2015，1（12）：19-28.

[5] 周超，陳思浩，樓建中，等.石墨烯在傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2014（S1）：15-20.

[6] 李一巍.新型碳元素材料的特性和潛在應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2015（14）：86.