石墨烯的研究进展及应用前景概述

王明浩

石墨烯的研究进展及应用前景概述

王明浩

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

石墨烯是一种完美排列的二维网状结构，自发现以来便震惊了科学界，人们对这种在二维空间中的完美排列充满兴趣。石墨烯是目前材料学科方面的研究热点。主要介绍了石墨烯的研究进展和目前在生活中的实际应用，并对石墨烯及其相关复合材料的制备方法展开了介绍。

石墨烯；制备方法；研究进展；应用前景

石墨烯是一种由碳原子以2杂化方式组成的六角型呈蜂巢晶格的二维纳米材料。在石墨烯发现以前，许多物理学家根据Mermin-Wagner定理得出，在非零温度下，热力学涨落不允许任何二维晶体存在。因此对寻找这种二维材料不抱希望，然而石墨烯的发现却违背了这个理论，并且在室温下就能找到石墨烯，这个发现立刻震撼了凝聚态物理学学术界，而关于石墨烯的研究热潮也随之而来。

由于石墨烯含有垂直于其二维平面并且可以贯穿全层多原子的大键，因此其具有优良的导电性和光学性能。同时，石墨烯也是目前已知最薄的且强度最高的材料之一，其断裂强度比最好的钢材还好；同时它有非常好的韧性，可以弯曲，其拉伸幅度能达到自身的20%。在导热方面，石墨烯具有非常好的热传导性能，堪称目前导热系数最高的碳材料。光学方面，其在较宽波长范围内的吸收率约为2.3%，有非常好的光学性能。

1 石墨烯的制备方法

1.1 石墨烯的制备方法

近年来，关于石墨烯的研究可谓是热火朝天，而研究石墨烯的第一步便是制备石墨烯，关于制备石墨烯的新方法也是多种多样。下面介绍一些常见的制备方法[1]。

1.1.1 机械剥离法

机械剥离法使用机械装置利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，克服石墨层分子间的作用力，从而得到只有纳米厚度的石墨烯薄层材料。获得2010年度诺贝尔物理学奖的两位英国科学家便是利用这种方法得到的石墨烯材料。

1.1.2 氧化还原法

利用石墨中大键易氧化的特点，使用强氧化剂如硫酸、硝酸、高锰酸钾等，与石墨烯发生氧化还原反应，得到氧化石墨，再经过一系列的物理化学方法得到石墨烯。

1.1.3 化学气相沉积法

化学气相沉积法是使用某些含碳有机气体为原料，利用其在高温下易分解的特性，选择合适的基体，从而在其表面生成单层石墨烯。

1.2 石墨烯复合材料的制备方法

由于目前很难将石墨烯作为单一原料生产产品，所以现阶段主要是利用其各种突出特性与其他材料进行复合，从而得到有优异性能的石墨烯复合材料。

1.2.1 共混法

共混法是将石墨烯和其他材料通过一定工艺进行均匀混合从而得到石墨烯复合材料，主要有熔融共混法和溶液共混法两种方法。

熔融共混法通过利用高温，使石墨烯在聚合物中分散而得到石墨烯复合材料的方法。溶液共混法是利用特定的溶剂将聚合物分子中插入氧化石墨烯片层中，再经还原得到石墨烯复合材料的方法。

1.2.2 原位聚合法

原位聚合法是把反应性单体（或其可溶性预聚体）与催化剂全部加入分散相（或连续相）中，芯材物质为分散相。由于单体（或预聚体）在单一相中是可溶的，而其聚合物在整个体系中是不可溶的，所以聚合反应在分散相芯材上发生。反应开始，单体预聚，预聚体聚合，当预聚体聚合尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面[2]。

1.2.3 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是以金属盐为前驱体，在一定温度下发生水解反应、缩聚反应等，最终形成稳定的溶胶体系，之后再将其干燥得到石墨烯复合材料。

2 石墨烯及其复合材料的应用前景

由于石墨烯优异的性能，因此其在各个方面都有巨大的潜能。

2.1 基础研究

石墨烯对于物理学基础研究有着深远的意义，它可以使一些以前只能在理论上研究的量子效应可以在实验室得到验证。由于石墨烯的特殊二维结构，在这种状态下的石墨烯中，其内的电子质量犹如不存在一样，该性质使石墨烯成为一种可以运用研究相对论量子力学的凝聚态物质。这为理论物理学家提供了一个崭新的研究方向，可以在小型实验室就能做一些需要在大型粒子加速器中进行的试验，极大简化了实验流程，为后续实验提供了良好的基础。

2.2 生物医药方面

石墨烯具有单原子层结构，且其比表面积很大，很适合做药物的载体。如靶向药物递送，改善大脑渗透，自制健康测试包以及植入“智能芯片”。

目前应用到实际生活中的例子有：通过氢键作用，将可溶性石墨烯作为载体，定向运输各种抗癌药物，如盐酸阿霉素、三苯氧胺柠檬酸盐等。

因其具有很好的柔韧性、生物相容性以及导电性等，石墨烯可以被用作神经接口电极，在不改变或破坏性能的同时，石墨烯电极要比其他材料所制作的同等类型的电极更加稳定。

除此之外，石墨烯还有很多应用到生物方面的例子，如：能用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化；石墨烯氧化物可以抑制大肠肝菌的生长同时对人体细胞却无害[3]。

2.3 传感器方面应用

可以将石墨烯制作成化学传感器，利用其表面吸附性来完成检测工作。因石墨烯独特的二维结构，其对周围的变化很敏感，因此用石墨烯做出来的传感器灵敏度极高。同时，石墨烯也是电化学生物传感器的理想材料，它对检测多巴胺和葡萄糖有很好的灵敏性。

2.4 新能源电池方面

由于石墨烯具有极其优异的导电能力，以及其几乎为零的电阻率，石墨烯复合材料在电池方面有着广泛的应用前景。目前，美国麻省理工学院已经研制出以石墨烯复合材料为主体的柔性光伏电池板，可以在手机、数码相机等电子产品中使用[4]。

2.5 航空航天

在航空航天上，石墨烯的应用优势也极为突出，其具有高导电性、高强度、超轻薄的特性，可以用做航天邻域的石墨烯传感器，对太空中的各种微量元素进行检测，同时可以用于航天领域的轻型飞机材料。

3 结束语

石墨烯其独特的二维结构在纳米材料方面有很强的优势，但目前石墨烯产业化还在初期阶段，但随着关于石墨烯的研究与开发持续升温，在未来还会有更多的新的石墨烯复合材料开发出来，那时石墨烯有望更广泛地应用，并实现产业化、工业化。

而中国在石墨烯研究上也有一定优势，作为石墨烯生产原料的石墨在我国有庞大的储能。2018年，中国首条全自动石墨烯有机太阳能光电子器件生产线也正式面世。希望未来中国能在石墨烯方面有更多的探索！

［1］王乐天.石墨烯及其复合材料的制备［J］.当代化工研究，2019（10）：164-165.

［2］田民波.材料学概论［M］.北京：清华大学出版社，2015.

［3］龙威，黄荣华.石墨烯的化学奥秘及研究进展［J］.洛阳理工学院学报（自然科学版），2012（22）：1-4，12.

［4］傅强，包信和.石墨烯的化学研究进展［J］.科学通报，2009（18）：2657-2666.

〔编辑：严丽琴〕

TQ127.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.063

2095－6835（2019）20－0140－02