浅析石墨烯的制备\功能化及应用

【前言】浅析石墨烯的制备\功能化及应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只...

作者简介：第一作者：郑天成 男 郑州大学 材料科学与工程学院，2009级 材料成型与控制工程专业，1991年1月

第二作者：郑晓广；中平能化集团研究院副院长

摘 要：石墨烯以其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起了轰动。简要介绍了石墨烯的结构，制备方法和功能化方法，并对石墨烯在相关领域的应用做出了展望。

关键词：石墨烯；结构；制备；功能化；应用前景

我们每个人都有使用铅笔的经历，很少人会意识到当我们用铅笔在纸上留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的新材料。这就是―石墨烯［1］。

我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯［2］。2004年，英国曼彻斯特大学的A. Geim教授及其合作人员凭借极大的耐心与一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。他们采取的手段与铅笔写字有异曲同工之妙，即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有0.34纳米（约为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。

1、石墨烯结构

它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列就可以适应外力。石墨烯的结构如下图：

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯,卷成一维(1D)的碳纳米管或者堆垛成三维(3D)的石墨, 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

2、石墨烯的制备

2.1机械剥离法［3］

用氧等离子束在高取向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出宽20um一2mm、深5 um的槽面，并将其压制在附有光致抗蚀剂的Si02／Si基底上，焙烧后，用透明胶带反复剥离出多余的石墨片，剩余在Si晶片上的石墨薄片浸泡于丙酮中，并在大量的水与丙醇中超声清洗，去除大多数的较厚片层后得到厚度小于10 nm的片层，这些薄的片层主要依靠范德华力或毛细作用力与Si02紧密结合，最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚的石墨烯片层。

2.2电化学方法［4］

Liu等通过电化学氧化石墨棒的方法制备了石墨烯．他们将两个高纯的石墨棒平行地插入含有离子液体的水溶液中，控制电压在10一20V，30 min后阳极石墨棒被腐蚀，离子液体中的阳离子在阴极还原形成自由基，与石墨烯片中的π电子结合，形成离子液体功能化的石墨烯片，最后用无水乙醇洗涤电解槽中的黑色沉淀物，60℃下干燥2 h即可得到石墨烯。此方法可一步制备出离子液体功能化的石墨烯，但制备的石墨烯片层大于单原子层厚度。 石墨烯的制备方法除了上面介绍的外，还有氧化还原法、外延晶体生长法、溶剂剥离法、微波法、电弧法等。 --!>

3、石墨烯的功能化

石墨烯的功能化就是利用石墨烯在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。

共价键功能化石墨烯是在利用化学路线合成石墨烯的过程中，在氧化石墨表面接枝上具有其他功能结构的分子，主要是化学路线合成的石墨烯存在大量的含氧基团，例如羧基、羟基、环氧基等，这些基团可以使一些化合物很容易以共价键的形式接枝在石墨烯表面。 非共价键功能化是指借助π ― π作用、氢键或静电作用使石墨烯功能化，提高石墨烯的性能 --!>

4、应用前景

由于石墨烯具有单原子层结构，其比表面积很大，且由于其良好的生物相容性，非常适合用作药物载体．Dai等［5］首先制备了聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散，然后利用π ― π相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38)负载到石墨烯上，开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究．Yang等［6］利用氢键作用，以可溶性石墨烯作为药物载体，实现了抗肿瘤药物阿霉素(DXR)在石墨烯上的高效负载．

美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。 石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实 --!>

5、结语

近年来，石墨烯的功能化已经取得了很大的进展，为了充分发挥石墨烯的优异性能，更好地拓展其应用领域，还需要开发并完善新的功能化方法，如需要建立控制功能化的基团、位点及官能团数量等的方法，在功能化的同时应尽量保持其良好的固有性质，建立在器件应用时除去不必要的官能团并恢复石墨烯的结构与性质的方法等．石墨烯的规模化制备和有效功能化方法等关键问题得到解决后，相信石墨烯的应用范围将更加广阔．（作者单位：郑州大学材料科学与工程学院）

参考文献：

［1］ 《碳纳米材料》 刘吉平 孙洪强编著 科学出版社

［2］ 神奇的石墨烯 《百科知识》 2010年20期

［3］ Novoselov，k.S．；Geim，A. k；Morozov，S．V．；Jiang，D．；Zhang，Y．；Dubonos,S．V．；Grigorieva,I．V．；Firsov，A．A．Science，2004，306(5696)：666

［4］ Liu,N.；Luo，F.；Wu，H.X.；Liu，Y．H．；Zhang,C．；Chen，J．Adv.Funct．Mater.，2008，18(10)：1518

［5］ Liu,Z.；Robinson，J．T.；Sun，X．M．；Dai，H．J. J.Am.Soc．,2008，130(33)：10876

［6］ Yang，X．Y．； Zhang，X．Y．；Liu，Z．F．； Ma,Y．F．；Huang，Y．；Chert，Y.S.J.Phys.chem.C，2008,112(45)：17554