石墨烯的若干應用進展及前景

張?zhí)K沛

摘 要：石墨烯是21世紀發(fā)現(xiàn)的新型二維納米材料。它從石墨中分離出來，由碳原子組成，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄（厚度僅為0.335 4 nm）、最輕、最堅硬、導電導熱性能最強的新型碳納米材料，優(yōu)異的物理性能和化學性能使其有廣泛的應用前景。從電子、水處理和生物醫(yī)藥領域等方面進行闡述，以期為日后的相關應用提供參考。

關鍵詞：石墨烯；電化學傳感器；水處理；新型碳納米材料

中圖分類號：O613.7 文獻標識碼：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構，它是2004年由英國曼徹斯特大學的2位科學家通過膠帶從石墨中分離得到的，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄（厚度僅有0.335 4 nm）、最輕、最堅硬、導電導熱性能最強的新型碳納米材料，一經發(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，世界各國已將石墨烯的研究提升至戰(zhàn)略高度，經過近十幾年的研究，已通過各種形式應用于物理學基礎研究、電子、機械、航天軍工、生物醫(yī)學等諸多領域，并在這些領域表現(xiàn)出了極大的應用價值和廣泛的應用前景。本文簡要闡述了石墨烯在電子、水處理和生物醫(yī)學領域的若干應用及其發(fā)展前景。

1 在電子方面的應用

石墨烯因其優(yōu)良的性能被廣泛應用于電子領域。例如，石墨烯能很好地滿足透明導電膜的要求，它不僅具備作為透明導電膜所必須的良好透明性（只吸收2.3%的光）和導電性，還具備強韌性（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的抗彎能力，強度和透光率也顯著提高，而卻耐摔耐撞，生產成本大大降低。由此可以預見，該電子紙將成為未來物聯(lián)網系統(tǒng)最佳的顯示界面。同月，重慶墨西生產出了可彎曲屏幕的石墨烯柔性屏手機。該手機可彎曲成環(huán)，攜帶方便。 下面，從電化學傳感器、超級電容器和電池方面介紹了石墨烯在電子方面的應用。

2 在電化學傳感器方面的應用

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

電化學傳感器是基于待測物的電化學性質，并將待測物化學量轉變成電學量進行傳感檢測的一種傳感器。按照所檢測物質的不同，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多種氣體，與傳統(tǒng)的氣體傳感器相比靈敏度更高，響應時間和回復時間更短，并且還可以減弱噪聲信號。有研究者利用某些特殊氣體分子吸附在石墨烯表面，通過改變石墨烯的電子結構，影響其導電性，從而實現(xiàn)對氣體單分子的檢測。

石墨烯生物傳感器具有優(yōu)良的導電性和生物相容性，可以固定多種生物分子，用來檢測生物標志物。由氧化石墨烯和石墨烯量子點組成的多功能生物傳感器，可以檢測多種生物標志物，比如DNA和蛋白質；用葡萄糖氧化酶對石墨烯進行功能化做成的葡萄糖酶基傳感器，已經被廣泛應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)測出癌細胞和傳染病。另外，有研究者已經開發(fā)出了通過呼氣來檢測胃癌的傳感器，更加方便、快捷。

3 在超級電容器方面的應用

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

性能的關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生高能量密度，優(yōu)異的導電性能有利于保持高功率密度，層片之間形成的微孔結構有利于電子的傳輸和電解液的滲透，因此，石墨烯作為超級電容器的電極材料具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r，利用石墨烯材料制成的超級電容器纖薄小巧，更適用于微型設備。

研究者以葉子中葉脈的紋路為設計原型，利用石墨烯薄膜生產出了一種微型超級電容器，大大提高了離子在石墨烯平面內的擴散效率，其體積能量密度比普通的商用超級電容器高出10倍多。韓國一名科學家利用足量的石墨烯制成一個超級電容，不但儲存的電量與鋰電池一樣，而且將充電時間縮短到4 min以下。它與一般的電池相比，更輕、壽命更長、充放電速度快，還可以改變形狀。由中國中車株機公司研制的多款石墨烯超級電容已大量運用于廣州、寧波等城市有軌和無軌電車的驅動，受到了廣泛好評。

比電容、循環(huán)壽命和環(huán)境穩(wěn)定性是評價電容器的重要參數(shù)。實驗表明，將未干燥的氧化石墨烯溶膠作為前驅體，利用一步水熱法制備還原氧化石墨烯，并以此作為超級電容器的電極材料，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到88.85%.

4 在電池方面的應用

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，大幅提高能量轉化率。

現(xiàn)有太陽能電池的電極材料為銦錫氧化物，其有毒性，對中性和酸性環(huán)境敏感，熱穩(wěn)定性比較差，而且價格昂貴。石墨烯不但具有很高的載流子遷移率和透過率，還具有優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定性，將成為傳統(tǒng)太陽能電池的替代品。目前，相關人員已經制備出的石墨烯/半導體肖特基結太陽能電池，在一定光照下展現(xiàn)出了8.6%的能量轉換效率，是迄今為止的最高值。如果以石墨烯制備太陽能電池，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)有電動汽車續(xù)航里程短、充電時間長的問題，甚至還可以完全替代傳統(tǒng)汽車。它在改善環(huán)境、解決能源危機等方面會產生巨大的影響。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”。該電池作為移動充電設備，可實現(xiàn)15 min內快速充放電，循環(huán)次數(shù)高達3 500次，并可在較高溫度下使用。

5 在水處理方面的應用

水污染是當今世界急需解決的問題，其污染物種類非常多，比如重金屬離子，有毒有害、難以降解的有機物等，且常以復合形式存在。石墨烯作為水處理材料，在環(huán)保領域擁有廣闊的應用前景。這主要是因為，它具有二維的平面結構、開放的孔結構、良好的柔韌性、高的機械強度、化學性質穩(wěn)定、比表面積大等突出優(yōu)點；石墨烯與碳納米管相比，比表面積更大，吸附能力更強。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、過濾材料和電極材料等，有效吸附水中的多種污染物。

對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能夠與重金屬離子相互作用，產生靜電吸附，使重金屬離子更好地吸附在石墨烯及其復合材料表面。實驗表明，氧化石墨烯對鉛的吸附容量是常規(guī)材料的10倍，對其他重金屬的吸附率也達到99%，可深度凈化水源。

石墨烯材料還可以有效吸附有機污染物，比如染料、抗生素、殺蟲劑、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的吸附劑與有機污染物之間，比如對在水中以離子形式存在的染料的吸附；疏水作用發(fā)生在含有疏水基團的有機污染物與石墨烯之間；π-π堆積作用是一種經常發(fā)生在芳香環(huán)之間的弱相互作用；含有極性基團的碳氫化合物與氧化石墨烯之間則主要是氫鍵的作用。對于水中難降解的有機污染物的吸附，大多是石墨烯碳六元環(huán)與有機物的芳香環(huán)之間產生吸附作用，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)學方面的應用

石墨烯量子點是準零維的納米材料，除了具有石墨烯的優(yōu)異性能外，還因其內部電子在各方向上的運動都受到局限，量子局限效應和邊界效應特別顯著，從而誘導石墨烯量子點發(fā)出熒光。將石墨烯量子點應用于生物成像中，與一般熒光體相比，其不易光衰，不會出現(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：①超大的比表面積可以實現(xiàn)超高的載藥率；②超強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)定性便于細胞黏附。有研究者利用氫鍵作用將抗腫瘤藥物負載在石墨烯上，發(fā)現(xiàn)吸附后的復合物對腫瘤細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。將石墨烯應用到該領域，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多肽、蛋白質和DNA等生物標志物。除了在載藥體系、生物監(jiān)測、生物成像、腫瘤治療領域的應用外，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用前景。

7 結束語

近年來，石墨烯因其優(yōu)異的電學性能、吸附性和催化性，在各個領域都得到了廣泛的關注，并取得了一些成果。但是，從總體情況來看，對石墨烯的研究仍需進一步深入，具體可從以下3方面入手：①尋求高質量、低成本的石墨烯制備工藝，實現(xiàn)石墨烯的可控化；②開發(fā)、完善石墨烯各方面的性能，進一步拓展其應用領域；③評估石墨烯對環(huán)境的影響，最大限度地降低石墨烯材料量產、應用給人和環(huán)境帶來的風險。

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〔編輯：白潔〕