石墨烯的若干應(yīng)用進(jìn)展及前景

張?zhí)K沛

摘 要：石墨烯是21世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的新型二維納米材料。它從石墨中分離出來(lái)，由碳原子組成，是目前發(fā)現(xiàn)的最?。ê穸葍H為0.335 4 nm）、最輕、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的新型碳納米材料，優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能使其有廣泛的應(yīng)用前景。從電子、水處理和生物醫(yī)藥領(lǐng)域等方面進(jìn)行闡述，以期為日后的相關(guān)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：石墨烯；電化學(xué)傳感器；水處理；新型碳納米材料

中圖分類號(hào)：O613.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.034

石墨烯是以碳原子緊密堆積形成的蜂巢狀二維原子晶體結(jié)構(gòu)，它是2004年由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的2位科學(xué)家通過(guò)膠帶從石墨中分離得到的，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯作為目前發(fā)現(xiàn)的最?。ê穸葍H有0.335 4 nm）、最輕、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的新型碳納米材料，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起了全世界的矚目。為了能更好地利用石墨烯的優(yōu)異性能，世界各國(guó)已將石墨烯的研究提升至戰(zhàn)略高度，經(jīng)過(guò)近十幾年的研究，已通過(guò)各種形式應(yīng)用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究、電子、機(jī)械、航天軍工、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。本文簡(jiǎn)要闡述了石墨烯在電子、水處理和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的若干應(yīng)用及其發(fā)展前景。

1 在電子方面的應(yīng)用

石墨烯因其優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域。例如，石墨烯能很好地滿足透明導(dǎo)電膜的要求，它不僅具備作為透明導(dǎo)電膜所必須的良好透明性（只吸收2.3%的光）和導(dǎo)電性，還具備強(qiáng)韌性（可彎曲，拉伸到自身尺寸的20%仍不斷裂）。2016-04，在廣州成功問(wèn)世的全球首款石墨烯電子紙，就是利用石墨烯的這些特性，用石墨烯薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)薄膜。與傳統(tǒng)電子紙相比，石墨烯電子紙具有更強(qiáng)的抗彎能力，強(qiáng)度和透光率也顯著提高，而卻耐摔耐撞，生產(chǎn)成本大大降低。由此可以預(yù)見(jiàn)，該電子紙將成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最佳的顯示界面。同月，重慶墨西生產(chǎn)出了可彎曲屏幕的石墨烯柔性屏手機(jī)。該手機(jī)可彎曲成環(huán)，攜帶方便。 下面，從電化學(xué)傳感器、超級(jí)電容器和電池方面介紹了石墨烯在電子方面的應(yīng)用。

2 在電化學(xué)傳感器方面的應(yīng)用

石墨烯作為一種電極材料，具有比表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、電子傳遞速度快、優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)勢(shì)，其作為傳感器材料具有良好的發(fā)展前景。

電化學(xué)傳感器是基于待測(cè)物的電化學(xué)性質(zhì)，并將待測(cè)物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測(cè)的一種傳感器。按照所檢測(cè)物質(zhì)的不同，可將其分為離子傳感器、氣體傳感器和生物傳感器。

石墨烯離子傳感器可以快速、靈敏地檢測(cè)各種水體中危害環(huán)境和人類健康的重金屬離子。

以石墨烯為材料的氣體傳感器可以響應(yīng)多種氣體，與傳統(tǒng)的氣體傳感器相比靈敏度更高，響應(yīng)時(shí)間和回復(fù)時(shí)間更短，并且還可以減弱噪聲信號(hào)。有研究者利用某些特殊氣體分子吸附在石墨烯表面，通過(guò)改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，影響其導(dǎo)電性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體單分子的檢測(cè)。

石墨烯生物傳感器具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和生物相容性，可以固定多種生物分子，用來(lái)檢測(cè)生物標(biāo)志物。由氧化石墨烯和石墨烯量子點(diǎn)組成的多功能生物傳感器，可以檢測(cè)多種生物標(biāo)志物，比如DNA和蛋白質(zhì)；用葡萄糖氧化酶對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化做成的葡萄糖酶基傳感器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于糖尿病的臨床診斷分析中；一款用石墨烯做成的具有很高靈敏度和特異性的新型傳感器可以根據(jù)血液快速監(jiān)測(cè)出癌細(xì)胞和傳染病。另外，有研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了通過(guò)呼氣來(lái)檢測(cè)胃癌的傳感器，更加方便、快捷。

3 在超級(jí)電容器方面的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種介于普通電容器與化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能裝置，它具有輸出功率高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、節(jié)約能源、安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。影響電容器

性能的關(guān)鍵因素之一是電極材料。由于石墨烯超大的比表面積有利于產(chǎn)生高能量密度，優(yōu)異的導(dǎo)電性能有利于保持高功率密度，層片之間形成的微孔結(jié)構(gòu)有利于電子的傳輸和電解液的滲透，因此，石墨烯作為超級(jí)電容器的電極材料具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。同時(shí)，利用石墨烯材料制成的超級(jí)電容器纖薄小巧，更適用于微型設(shè)備。

研究者以葉子中葉脈的紋路為設(shè)計(jì)原型，利用石墨烯薄膜生產(chǎn)出了一種微型超級(jí)電容器，大大提高了離子在石墨烯平面內(nèi)的擴(kuò)散效率，其體積能量密度比普通的商用超級(jí)電容器高出10倍多。韓國(guó)一名科學(xué)家利用足量的石墨烯制成一個(gè)超級(jí)電容，不但儲(chǔ)存的電量與鋰電池一樣，而且將充電時(shí)間縮短到4 min以下。它與一般的電池相比，更輕、壽命更長(zhǎng)、充放電速度快，還可以改變形狀。由中國(guó)中車株機(jī)公司研制的多款石墨烯超級(jí)電容已大量運(yùn)用于廣州、寧波等城市有軌和無(wú)軌電車的驅(qū)動(dòng)，受到了廣泛好評(píng)。

比電容、循環(huán)壽命和環(huán)境穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)電容器的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，將未干燥的氧化石墨烯溶膠作為前驅(qū)體，利用一步水熱法制備還原氧化石墨烯，并以此作為超級(jí)電容器的電極材料，發(fā)現(xiàn)其比電容和電流密度與普通電容器相比顯著增加，并在循環(huán)上千次后其保持率可達(dá)到88.85%.

4 在電池方面的應(yīng)用

石墨烯因其比表面積大、催化活性好、穩(wěn)定性好等，成為燃料電池中催化劑的優(yōu)異替換品，能提高燃料電池的催化效果，大幅提高能量轉(zhuǎn)化率。

現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的電極材料為銦錫氧化物，其有毒性，對(duì)中性和酸性環(huán)境敏感，熱穩(wěn)定性比較差，而且價(jià)格昂貴。石墨烯不但具有很高的載流子遷移率和透過(guò)率，還具有優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，將成為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的替代品。目前，相關(guān)人員已經(jīng)制備出的石墨烯/半導(dǎo)體肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池，在一定光照下展現(xiàn)出了8.6%的能量轉(zhuǎn)換效率，是迄今為止的最高值。如果以石墨烯制備太陽(yáng)能電池，則可以節(jié)約資源，有效緩解能源和環(huán)境等方面的壓力。

除此之外，正在研發(fā)的全球首例石墨烯聚合物電池，將在新能源汽車中代替鋰電池。據(jù)報(bào)道，該電池快充8 min可續(xù)航1 000 km，其電池效能為傳統(tǒng)鋰電池的10倍之多。如果研究成功并推廣，將有效解決現(xiàn)有電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，甚至還可以完全替代傳統(tǒng)汽車。它在改善環(huán)境、解決能源危機(jī)等方面會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。2016-07，東旭光電發(fā)布了全球首款石墨烯基鋰離子電池——“烯王”。該電池作為移動(dòng)充電設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)15 min內(nèi)快速充放電，循環(huán)次數(shù)高達(dá)3 500次，并可在較高溫度下使用。

5 在水處理方面的應(yīng)用

水污染是當(dāng)今世界急需解決的問(wèn)題，其污染物種類非常多，比如重金屬離子，有毒有害、難以降解的有機(jī)物等，且常以復(fù)合形式存在。石墨烯作為水處理材料，在環(huán)保領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。這主要是因?yàn)?，它具有二維的平面結(jié)構(gòu)、開(kāi)放的孔結(jié)構(gòu)、良好的柔韌性、高的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大等突出優(yōu)點(diǎn)；石墨烯與碳納米管相比，比表面積更大，吸附能力更強(qiáng)。利用石墨烯的優(yōu)異性能，可將其加工成催化材料、吸附材料、過(guò)濾材料和電極材料等，有效吸附水中的多種污染物。

對(duì)于重金屬離子的吸附，氧化石墨烯的作用更明顯，其表面大量的官能團(tuán)能夠與重金屬離子相互作用，產(chǎn)生靜電吸附，使重金屬離子更好地吸附在石墨烯及其復(fù)合材料表面。實(shí)驗(yàn)表明，氧化石墨烯對(duì)鉛的吸附容量是常規(guī)材料的10倍，對(duì)其他重金屬的吸附率也達(dá)到99%，可深度凈化水源。

石墨烯材料還可以有效吸附有機(jī)污染物，比如染料、抗生素、殺蟲(chóng)劑、原油等芳香族化合物，其吸附作用主要包括靜電作用、疏水作用、π-π鍵、氫鍵。靜電作用主要發(fā)生在含有帶電官能團(tuán)的吸附劑與有機(jī)污染物之間，比如對(duì)在水中以離子形式存在的染料的吸附；疏水作用發(fā)生在含有疏水基團(tuán)的有機(jī)污染物與石墨烯之間；π-π堆積作用是一種經(jīng)常發(fā)生在芳香環(huán)之間的弱相互作用；含有極性基團(tuán)的碳?xì)浠衔锱c氧化石墨烯之間則主要是氫鍵的作用。對(duì)于水中難降解的有機(jī)污染物的吸附，大多是石墨烯碳六元環(huán)與有機(jī)物的芳香環(huán)之間產(chǎn)生吸附作用，與其他碳基吸附材料相比，石墨烯吸附效果更好，吸附容量更高。

6 在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

石墨烯量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，除了具有石墨烯的優(yōu)異性能外，還因其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，量子局限效應(yīng)和邊界效應(yīng)特別顯著，從而誘導(dǎo)石墨烯量子點(diǎn)發(fā)出熒光。將石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物成像中，與一般熒光體相比，其不易光衰，不會(huì)出現(xiàn)光漂白的情況，而且熒光更穩(wěn)定。

氧化石墨烯可用于納米載藥系統(tǒng)，其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①超大的比表面積可以實(shí)現(xiàn)超高的載藥率；②超強(qiáng)的靶向性使藥物容易在病灶周圍密集；③突出的生物相容性和穩(wěn)定性便于細(xì)胞黏附。有研究者利用氫鍵作用將抗腫瘤藥物負(fù)載在石墨烯上，發(fā)現(xiàn)吸附后的復(fù)合物對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷力約為傳統(tǒng)抗腫瘤藥物的1 000倍，極大地提高了難溶性藥物的抗腫瘤效果。將石墨烯應(yīng)用到該領(lǐng)域，可大大提高治療效果。

以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以檢測(cè)多肽、蛋白質(zhì)和DNA等生物標(biāo)志物。除了在載藥體系、生物監(jiān)測(cè)、生物成像、腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用外，石墨烯及其衍生物在光熱治療、抗菌材料和組織工程支架等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

7 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)性能、吸附性和催化性，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的關(guān)注，并取得了一些成果。但是，從總體情況來(lái)看，對(duì)石墨烯的研究仍需進(jìn)一步深入，具體可從以下3方面入手：①尋求高質(zhì)量、低成本的石墨烯制備工藝，實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控化；②開(kāi)發(fā)、完善石墨烯各方面的性能，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域；③評(píng)估石墨烯對(duì)環(huán)境的影響，最大限度地降低石墨烯材料量產(chǎn)、應(yīng)用給人和環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳婷，田亮亮，張進(jìn).基于石墨烯電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，28（3）：17-22.

[2]汪建德，彭同江，孫紅娟，等.三維還原氧化石墨烯的制備及超級(jí)電容性能[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2015，44（1）：78-84.

[3]胡忠良，李雪峰，席柳江，等.石墨烯材料在水處理方面的研究進(jìn)展[J].功能材料，2016，47（S1）：1-6.

[4]劉鳳珍，范增杰，王金清.石墨烯類材料的制備及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].2015，34（z1）：589-593.

[5]李紹娟，甘勝，沐浩然，等.石墨烯光電子器件的應(yīng)用進(jìn)展[J].新型碳材料，2014，29（5）：329-355.

[6]范軍領(lǐng).石墨烯傳感器的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（7）：31-35.

[7]裴波，侯旭，郭向峰，等.石墨烯及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究[J].船電技術(shù)，2016，36（1）：66-69.

[8]孫賽楠，于飛，劉凡，等.石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)水中有機(jī)物和重金屬的吸附研究[J].現(xiàn)代加工，2015，35（11）：32-36.

[9]張保梅，汪洋，翟光喜.石墨烯的功能化及其在藥物遞送和生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，2016， 47（6）：807-812.

[10]李想.石墨烯在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（17）：75.

[11]朱振峰，程莎，董曉楠.石墨烯的制備和應(yīng)用[J].功能材料，2013，44（21）：3060-3071.

[12]董龍龍，陳文革.石墨烯的特征、制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].炭素技術(shù)，2016，35（3）：1-6.

〔編輯：白潔〕