石墨烯的研究進展及應用前景概述

王明浩

石墨烯的研究進展及應用前景概述

王明浩

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

石墨烯是一種完美排列的二維網狀結構，自發現以來便震驚了科學界，人們對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科方面的研究熱點。主要介紹了石墨烯的研究進展和目前在生活中的實際應用，并對石墨烯及其相關復合材料的制備方法展開了介紹。

石墨烯；制備方法；研究進展；應用前景

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。在石墨烯發現以前，許多物理學家根據Mermin-Wagner定理得出，在非零溫度下，熱力學漲落不允許任何二維晶體存在。因此對尋找這種二維材料不抱希望，然而石墨烯的發現卻違背了這個理論，并且在室溫下就能找到石墨烯，這個發現立刻震撼了凝聚態物理學學術界，而關于石墨烯的研究熱潮也隨之而來。

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，因此其具有優良的導電性和光學性能。同時，石墨烯也是目前已知最薄的且強度最高的材料之一，其斷裂強度比最好的鋼材還好；同時它有非常好的韌性，可以彎曲，其拉伸幅度能達到自身的20%。在導熱方面，石墨烯具有非常好的熱傳導性能，堪稱目前導熱系數最高的碳材料。光學方面，其在較寬波長范圍內的吸收率約為2.3%，有非常好的光學性能。

1 石墨烯的制備方法

1.1 石墨烯的制備方法

近年來，關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，關于制備石墨烯的新方法也是多種多樣。下面介紹一些常見的制備方法[1]。

1.1.1 機械剝離法

機械剝離法使用機械裝置利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，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年度諾貝爾物理學獎的兩位英國科學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，使用強氧化劑如硫酸、硝酸、高錳酸鉀等，與石墨烯發生氧化還原反應，得到氧化石墨，再經過一系列的物理化學方法得到石墨烯。

1.1.3 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是使用某些含碳有機氣體為原料，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產品，所以現階段主要是利用其各種突出特性與其他材料進行復合，從而得到有優異性能的石墨烯復合材料。

1.2.1 共混法

共混法是將石墨烯和其他材料通過一定工藝進行均勻混合從而得到石墨烯復合材料，主要有熔融共混法和溶液共混法兩種方法。

熔融共混法通過利用高溫，使石墨烯在聚合物中分散而得到石墨烯復合材料的方法。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，再經還原得到石墨烯復合材料的方法。

1.2.2 原位聚合法

原位聚合法是把反應性單體（或其可溶性預聚體）與催化劑全部加入分散相（或連續相）中，芯材物質為分散相。由于單體（或預聚體）在單一相中是可溶的，而其聚合物在整個體系中是不可溶的，所以聚合反應在分散相芯材上發生。反應開始，單體預聚，預聚體聚合，當預聚體聚合尺寸逐步增大后，沉積在芯材物質的表面[2]。

1.2.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以金屬鹽為前驅體，在一定溫度下發生水解反應、縮聚反應等，最終形成穩定的溶膠體系，之后再將其干燥得到石墨烯復合材料。

2 石墨烯及其復合材料的應用前景

由于石墨烯優異的性能，因此其在各個方面都有巨大的潛能。

2.1 基礎研究

石墨烯對于物理學基礎研究有著深遠的意義，它可以使一些以前只能在理論上研究的量子效應可以在實驗室得到驗證。由于石墨烯的特殊二維結構，在這種狀態下的石墨烯中，其內的電子質量猶如不存在一樣，該性質使石墨烯成為一種可以運用研究相對論量子力學的凝聚態物質。這為理論物理學家提供了一個嶄新的研究方向，可以在小型實驗室就能做一些需要在大型粒子加速器中進行的試驗，極大簡化了實驗流程，為后續實驗提供了良好的基礎。

2.2 生物醫藥方面

石墨烯具有單原子層結構，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，自制健康測試包以及植入“智能芯片”。

目前應用到實際生活中的例子有：通過氫鍵作用，將可溶性石墨烯作為載體，定向運輸各種抗癌藥物，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、生物相容性以及導電性等，石墨烯可以被用作神經接口電極，在不改變或破壞性能的同時，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定。

除此之外，石墨烯還有很多應用到生物方面的例子，如：能用來加速人類骨髓間充質干細胞的成骨分化；石墨烯氧化物可以抑制大腸肝菌的生長同時對人體細胞卻無害[3]。

2.3 傳感器方面應用

可以將石墨烯制作成化學傳感器，利用其表面吸附性來完成檢測工作。因石墨烯獨特的二維結構，其對周圍的變化很敏感，因此用石墨烯做出來的傳感器靈敏度極高。同時，石墨烯也是電化學生物傳感器的理想材料，它對檢測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異的導電能力，以及其幾乎為零的電阻率，石墨烯復合材料在電池方面有著廣泛的應用前景。目前，美國麻省理工學院已經研制出以石墨烯復合材料為主體的柔性光伏電池板，可以在手機、數碼相機等電子產品中使用[4]。

2.5 航空航天

在航空航天上，石墨烯的應用優勢也極為突出，其具有高導電性、高強度、超輕薄的特性，可以用做航天鄰域的石墨烯傳感器，對太空中的各種微量元素進行檢測，同時可以用于航天領域的輕型飛機材料。

3 結束語

石墨烯其獨特的二維結構在納米材料方面有很強的優勢，但目前石墨烯產業化還在初期階段，但隨著關于石墨烯的研究與開發持續升溫，在未來還會有更多的新的石墨烯復合材料開發出來，那時石墨烯有望更廣泛地應用，并實現產業化、工業化。

而中國在石墨烯研究上也有一定優勢，作為石墨烯生產原料的石墨在我國有龐大的儲能。2018年，中國首條全自動石墨烯有機太陽能光電子器件生產線也正式面世。希望未來中國能在石墨烯方面有更多的探索！

［1］王樂天.石墨烯及其復合材料的制備［J］.當代化工研究，2019（10）：164-165.

［2］田民波.材料學概論［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［3］龍威，黃榮華.石墨烯的化學奧秘及研究進展［J］.洛陽理工學院學報（自然科學版），2012（22）：1-4，12.

［4］傅強，包信和.石墨烯的化學研究進展［J］.科學通報，2009（18）：2657-2666.

〔編輯：嚴麗琴〕

TQ127.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.063

2095－6835（2019）20－0140－02