石墨烯的制備與應用前景

霍川

(華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063210)

1 引言

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。

2 石墨烯的制備方法

目前，制備石墨烯的方法主要包含機械剝離法，化學剝離法、化學氣相沉積法、電弧放電法、氧化還原法等多種方法。

2.1 微機械剝離法。Novoselov等人利用膠帶剝離高定向熱解石墨將石墨烯片粘附在膠帶上，經過一系列的操作，首次成功制備得到石墨烯薄片。微機械剝離法簡單迅速，制備出的石墨烯品質較高，并且能保持較完整的石墨烯晶體結構，制備過程中石墨烯產生的缺陷少，但是該方法石墨烯產量偏低，制備的石墨烯的顆粒大小不均勻，只適用于石墨烯相關試驗研究。

2.2 石墨插層法。石墨插層法是以天然鱗片石墨為原料，用堿金屬元素為插層劑，通過插層劑與石墨混合反應得到石墨層間化合物。此方法操作條件要求較高，可控性較差，制備出的石墨片厚度最小只能達到幾十納米，浪費大量能量的同時，會使部分石墨氧化，導致制備的石墨缺陷較多，石墨烯原有性能會受到極大的影響。

2.3 電弧放電法。電弧法是利用石墨電極在一定環境下放電，通過產生陰極沉積物而得到石墨烯的方法。制備的石墨烯為納米級別材料，制備的石墨烯尺寸已經接近電子的長度，石墨的性質因為強相干所帶來的自組織使得石墨烯得以分離[2]。電弧放電法制得的石墨烯缺陷較少，石墨烯晶型結構較完整，但是制備環境比較嚴格，需要耗費大量的電能，很難進行產業化制備。

2.4 化學氣相沉積法。化學氣相沉積法制備石墨烯是通過碳源(CXHY前驅體)在溫度超過1000℃氣化分解后，沉積在金屬或者拋光薄膜等基底表面，然后經過剝離而的到石墨烯的方法。該方法制備的石墨烯尺寸大，層數易控，石墨烯完整度較高，是替代微機械剝離法制備石墨烯的有效方法之一，但是該方法制備工藝復雜，成本較高。

2.5 氧化石墨烯還原法。氧化石墨烯還原法，是首先制備出親水性的氧化石墨烯，再通過強還原劑如水合肼、硼氫化鈉、抗壞血酸等來還原氧化石墨烯表面的官能團，從而制備出高品質的氧化石墨烯。該方法操作簡單，反應條件較溫和，成本較低，被認為是目前實現產業化制備石墨烯的最有效的方法，制得的石墨烯具有較大的尺寸結構，晶型結構較完整，石墨烯各性能良好，制備的石墨烯可應用于光伏電池、電化學傳感器、高性能組件和納米醫學等眾多方面[5]。

3 應用前景

3.1 半導體材料。石墨烯可以用來制作晶體管，由于石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。石墨烯同樣適用于高頻電路，高頻電路廣泛應用于現代電子工業，由于需要大量的的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，而硅的傳導頻率有限，使傳導效率收到了極大的限制，石墨烯的出現，高頻提升的發展前景也變得更加廣闊了。

3.2 基因電子測序。單層的石墨烯的厚度遠小于生物DNA鏈中的相鄰之間的距離，而DNA四種堿基之間又存在某種電子指紋，可以利用石墨烯來實現生物基因的電子測序。

3.3 航空航天材料。石墨烯以其導電性強、硬度高、質量輕等優點得以在航空航天領域應用。2014年，美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器，就能很好監測大氣層的微量元素。石墨烯硬度高而質量輕的特點也可硬同于制造超輕型飛機材料。

3.4 醫學領域。研究表明，石墨烯已被用來加速人類骨髓間充質干細胞的成骨分化，也被用來制造碳化硅上外延石墨烯的生物傳感器。此外，石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長十分有效，而且不會對人體健康造成危害。

4 結論與展望

氧化石墨烯還原法已廣泛應用于石墨烯的制備中，但仍需繼續尋求更加完善的石墨烯制備方法，使其得到更好的應用。石墨烯雖然從合成到今天只有短短十幾年的時間，但已成為科研人員研究的熱點。隨著石墨烯的制備方法不斷被開發，石墨烯必將被更廣泛的應用到各領域中。