石墨烯的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景概述

王明浩

石墨烯的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景概述

王明浩

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

石墨烯是一種完美排列的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)便震驚了科學(xué)界，人們對(duì)這種在二維空間中的完美排列充滿興趣。石墨烯是目前材料學(xué)科方面的研究熱點(diǎn)。主要介紹了石墨烯的研究進(jìn)展和目前在生活中的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)石墨烯及其相關(guān)復(fù)合材料的制備方法展開(kāi)了介紹。

石墨烯；制備方法；研究進(jìn)展；應(yīng)用前景

石墨烯是一種由碳原子以2雜化方式組成的六角型呈蜂巢晶格的二維納米材料。在石墨烯發(fā)現(xiàn)以前，許多物理學(xué)家根據(jù)Mermin-Wagner定理得出，在非零溫度下，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體存在。因此對(duì)尋找這種二維材料不抱希望，然而石墨烯的發(fā)現(xiàn)卻違背了這個(gè)理論，并且在室溫下就能找到石墨烯，這個(gè)發(fā)現(xiàn)立刻震撼了凝聚態(tài)物理學(xué)學(xué)術(shù)界，而關(guān)于石墨烯的研究熱潮也隨之而來(lái)。

由于石墨烯含有垂直于其二維平面并且可以貫穿全層多原子的大鍵，因此其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和光學(xué)性能。同時(shí)，石墨烯也是目前已知最薄的且強(qiáng)度最高的材料之一，其斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還好；同時(shí)它有非常好的韌性，可以彎曲，其拉伸幅度能達(dá)到自身的20%。在導(dǎo)熱方面，石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能，堪稱目前導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。光學(xué)方面，其在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收率約為2.3%，有非常好的光學(xué)性能。

1 石墨烯的制備方法

1.1 石墨烯的制備方法

近年來(lái)，關(guān)于石墨烯的研究可謂是熱火朝天，而研究石墨烯的第一步便是制備石墨烯，關(guān)于制備石墨烯的新方法也是多種多樣。下面介紹一些常見(jiàn)的制備方法[1]。

1.1.1 機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法使用機(jī)械裝置利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，克服石墨層分子間的作用力，從而得到只有納米厚度的石墨烯薄層材料。獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩位英國(guó)科學(xué)家便是利用這種方法得到的石墨烯材料。

1.1.2 氧化還原法

利用石墨中大鍵易氧化的特點(diǎn)，使用強(qiáng)氧化劑如硫酸、硝酸、高錳酸鉀等，與石墨烯發(fā)生氧化還原反應(yīng)，得到氧化石墨，再經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)方法得到石墨烯。

1.1.3 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是使用某些含碳有機(jī)氣體為原料，利用其在高溫下易分解的特性，選擇合適的基體，從而在其表面生成單層石墨烯。

1.2 石墨烯復(fù)合材料的制備方法

由于目前很難將石墨烯作為單一原料生產(chǎn)產(chǎn)品，所以現(xiàn)階段主要是利用其各種突出特性與其他材料進(jìn)行復(fù)合，從而得到有優(yōu)異性能的石墨烯復(fù)合材料。

1.2.1 共混法

共混法是將石墨烯和其他材料通過(guò)一定工藝進(jìn)行均勻混合從而得到石墨烯復(fù)合材料，主要有熔融共混法和溶液共混法兩種方法。

熔融共混法通過(guò)利用高溫，使石墨烯在聚合物中分散而得到石墨烯復(fù)合材料的方法。溶液共混法是利用特定的溶劑將聚合物分子中插入氧化石墨烯片層中，再經(jīng)還原得到石墨烯復(fù)合材料的方法。

1.2.2 原位聚合法

原位聚合法是把反應(yīng)性單體（或其可溶性預(yù)聚體）與催化劑全部加入分散相（或連續(xù)相）中，芯材物質(zhì)為分散相。由于單體（或預(yù)聚體）在單一相中是可溶的，而其聚合物在整個(gè)體系中是不可溶的，所以聚合反應(yīng)在分散相芯材上發(fā)生。反應(yīng)開(kāi)始，單體預(yù)聚，預(yù)聚體聚合，當(dāng)預(yù)聚體聚合尺寸逐步增大后，沉積在芯材物質(zhì)的表面[2]。

1.2.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以金屬鹽為前驅(qū)體，在一定溫度下發(fā)生水解反應(yīng)、縮聚反應(yīng)等，最終形成穩(wěn)定的溶膠體系，之后再將其干燥得到石墨烯復(fù)合材料。

2 石墨烯及其復(fù)合材料的應(yīng)用前景

由于石墨烯優(yōu)異的性能，因此其在各個(gè)方面都有巨大的潛能。

2.1 基礎(chǔ)研究

石墨烯對(duì)于物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著深遠(yuǎn)的意義，它可以使一些以前只能在理論上研究的量子效應(yīng)可以在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。由于石墨烯的特殊二維結(jié)構(gòu)，在這種狀態(tài)下的石墨烯中，其內(nèi)的電子質(zhì)量猶如不存在一樣，該性質(zhì)使石墨烯成為一種可以運(yùn)用研究相對(duì)論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)。這為理論物理學(xué)家提供了一個(gè)嶄新的研究方向，可以在小型實(shí)驗(yàn)室就能做一些需要在大型粒子加速器中進(jìn)行的試驗(yàn)，極大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2 生物醫(yī)藥方面

石墨烯具有單原子層結(jié)構(gòu)，且其比表面積很大，很適合做藥物的載體。如靶向藥物遞送，改善大腦滲透，自制健康測(cè)試包以及植入“智能芯片”。

目前應(yīng)用到實(shí)際生活中的例子有：通過(guò)氫鍵作用，將可溶性石墨烯作為載體，定向運(yùn)輸各種抗癌藥物，如鹽酸阿霉素、三苯氧胺檸檬酸鹽等。

因其具有很好的柔韌性、生物相容性以及導(dǎo)電性等，石墨烯可以被用作神經(jīng)接口電極，在不改變或破壞性能的同時(shí)，石墨烯電極要比其他材料所制作的同等類型的電極更加穩(wěn)定。

除此之外，石墨烯還有很多應(yīng)用到生物方面的例子，如：能用來(lái)加速人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化；石墨烯氧化物可以抑制大腸肝菌的生長(zhǎng)同時(shí)對(duì)人體細(xì)胞卻無(wú)害[3]。

2.3 傳感器方面應(yīng)用

可以將石墨烯制作成化學(xué)傳感器，利用其表面吸附性來(lái)完成檢測(cè)工作。因石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，其對(duì)周圍的變化很敏感，因此用石墨烯做出來(lái)的傳感器靈敏度極高。同時(shí)，石墨烯也是電化學(xué)生物傳感器的理想材料，它對(duì)檢測(cè)多巴胺和葡萄糖有很好的靈敏性。

2.4 新能源電池方面

由于石墨烯具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電能力，以及其幾乎為零的電阻率，石墨烯復(fù)合材料在電池方面有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院已經(jīng)研制出以石墨烯復(fù)合材料為主體的柔性光伏電池板，可以在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品中使用[4]。

2.5 航空航天

在航空航天上，石墨烯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也極為突出，其具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄的特性，可以用做航天鄰域的石墨烯傳感器，對(duì)太空中的各種微量元素進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以用于航天領(lǐng)域的輕型飛機(jī)材料。

3 結(jié)束語(yǔ)

石墨烯其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在納米材料方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但目前石墨烯產(chǎn)業(yè)化還在初期階段，但隨著關(guān)于石墨烯的研究與開(kāi)發(fā)持續(xù)升溫，在未來(lái)還會(huì)有更多的新的石墨烯復(fù)合材料開(kāi)發(fā)出來(lái)，那時(shí)石墨烯有望更廣泛地應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化。

而中國(guó)在石墨烯研究上也有一定優(yōu)勢(shì)，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨在我國(guó)有龐大的儲(chǔ)能。2018年，中國(guó)首條全自動(dòng)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線也正式面世。希望未來(lái)中國(guó)能在石墨烯方面有更多的探索！

［1］王樂(lè)天.石墨烯及其復(fù)合材料的制備［J］.當(dāng)代化工研究，2019（10）：164-165.

［2］田民波.材料學(xué)概論［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［3］龍威，黃榮華.石墨烯的化學(xué)奧秘及研究進(jìn)展［J］.洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（22）：1-4，12.

［4］傅強(qiáng)，包信和.石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展［J］.科學(xué)通報(bào)，2009（18）：2657-2666.

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕

TQ127.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.063

2095－6835（2019）20－0140－02