石墨烯的若干应用进展及前景

张苏沛

摘 要：石墨烯是21世纪发现的新型二维纳米材料。它从石墨中分离出来，由碳原子组成，是目前发现的最薄（厚度仅为0.335 4 nm）、最轻、最坚硬、导电导热性能最强的新型碳纳米材料，优异的物理性能和化学性能使其有广泛的应用前景。从电子、水处理和生物医药领域等方面进行阐述，以期为日后的相关应用提供参考。

关键词：石墨烯；电化学传感器；水处理；新型碳纳米材料

中图分类号：O613.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.034

石墨烯是以碳原子紧密堆积形成的蜂巢状二维原子晶体结构，它是2004年由英国曼彻斯特大学的2位科学家通过胶带从石墨中分离得到的，两人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯作为目前发现的最薄（厚度仅有0.335 4 nm）、最轻、最坚硬、导电导热性能最强的新型碳纳米材料，一经发现就引起了全世界的瞩目。为了能更好地利用石墨烯的优异性能，世界各国已将石墨烯的研究提升至战略高度，经过近十几年的研究，已通过各种形式应用于物理学基础研究、电子、机械、航天军工、生物医学等诸多领域，并在这些领域表现出了极大的应用价值和广泛的应用前景。本文简要阐述了石墨烯在电子、水处理和生物医学领域的若干应用及其发展前景。

1 在电子方面的应用

石墨烯因其优良的性能被广泛应用于电子领域。例如，石墨烯能很好地满足透明导电膜的要求，它不仅具备作为透明导电膜所必须的良好透明性（只吸收2.3%的光）和导电性，还具备强韧性（可弯曲，拉伸到自身尺寸的20%仍不断裂）。2016-04，在广州成功问世的全球首款石墨烯电子纸，就是利用石墨烯的这些特性，用石墨烯薄膜代替传统薄膜。与传统电子纸相比，石墨烯电子纸具有更强的抗弯能力，强度和透光率也显著提高，而却耐摔耐撞，生产成本大大降低。由此可以预见，该电子纸将成为未来物联网系统最佳的显示界面。同月，重庆墨西生产出了可弯曲屏幕的石墨烯柔性屏手机。该手机可弯曲成环，携带方便。 下面，从电化学传感器、超级电容器和电池方面介绍了石墨烯在电子方面的应用。

2 在电化学传感器方面的应用

石墨烯作为一种电极材料，具有比表面积大、灵敏度高、响应时间短、电子传递速度快、优异的生物相容性等优势，其作为传感器材料具有良好的发展前景。

电化学传感器是基于待测物的电化学性质，并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测的一种传感器。按照所检测物质的不同，可将其分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。

石墨烯离子传感器可以快速、灵敏地检测各种水体中危害环境和人类健康的重金属离子。

以石墨烯为材料的气体传感器可以响应多种气体，与传统的气体传感器相比灵敏度更高，响应时间和回复时间更短，并且还可以减弱噪声信号。有研究者利用某些特殊气体分子吸附在石墨烯表面，通过改变石墨烯的电子结构，影响其导電性，从而实现对气体单分子的检测。

石墨烯生物传感器具有优良的导电性和生物相容性，可以固定多种生物分子，用来检测生物标志物。由氧化石墨烯和石墨烯量子点组成的多功能生物传感器，可以检测多种生物标志物，比如DNA和蛋白质；用葡萄糖氧化酶对石墨烯进行功能化做成的葡萄糖酶基传感器，已经被广泛应用于糖尿病的临床诊断分析中；一款用石墨烯做成的具有很高灵敏度和特异性的新型传感器可以根据血液快速监测出癌细胞和传染病。另外，有研究者已经开发出了通过呼气来检测胃癌的传感器，更加方便、快捷。

3 在超级电容器方面的应用

超级电容器是一种介于普通电容器与化学电池之间的新型储能装置，它具有输出功率高、充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽、节约能源、安全、无污染等优点。影响电容器

性能的关键因素之一是电极材料。由于石墨烯超大的比表面积有利于产生高能量密度，优异的导电性能有利于保持高功率密度，层片之间形成的微孔结构有利于电子的传输和电解液的渗透，因此，石墨烯作为超级电容器的电极材料具有巨大的发展潜力。同时，利用石墨烯材料制成的超级电容器纤薄小巧，更适用于微型设备。

研究者以叶子中叶脉的纹路为设计原型，利用石墨烯薄膜生产出了一种微型超级电容器，大大提高了离子在石墨烯平面内的扩散效率，其体积能量密度比普通的商用超级电容器高出10倍多。韩国一名科学家利用足量的石墨烯制成一个超级电容，不但储存的电量与锂电池一样，而且将充电时间缩短到4 min以下。它与一般的电池相比，更轻、寿命更长、充放电速度快，还可以改变形状。由中国中车株机公司研制的多款石墨烯超级电容已大量运用于广州、宁波等城市有轨和无轨电车的驱动，受到了广泛好评。

比电容、循环寿命和环境稳定性是评价电容器的重要参数。实验表明，将未干燥的氧化石墨烯溶胶作为前驱体，利用一步水热法制备还原氧化石墨烯，并以此作为超级电容器的电极材料，发现其比电容和电流密度与普通电容器相比显著增加，并在循环上千次后其保持率可达到88.85%.

4 在电池方面的应用

石墨烯因其比表面积大、催化活性好、稳定性好等，成为燃料电池中催化剂的优异替换品，能提高燃料电池的催化效果，大幅提高能量转化率。

现有太阳能电池的电极材料为铟锡氧化物，其有毒性，对中性和酸性环境敏感，热稳定性比较差，而且价格昂贵。石墨烯不但具有很高的载流子迁移率和透过率，还具有优异的力学性能和稳定性，将成为传统太阳能电池的替代品。目前，相关人员已经制备出的石墨烯/半导体肖特基结太阳能电池，在一定光照下展现出了8.6%的能量转换效率，是迄今为止的最高值。如果以石墨烯制备太阳能电池，则可以节约资源，有效缓解能源和环境等方面的压力。

除此之外，正在研发的全球首例石墨烯聚合物电池，将在新能源汽车中代替锂电池。据报道，该电池快充8 min可续航1 000 km，其电池效能为传统锂电池的10倍之多。如果研究成功并推广，将有效解决现有电动汽车续航里程短、充电时间长的问题，甚至还可以完全替代传统汽车。它在改善环境、解决能源危机等方面会产生巨大的影响。2016-07，东旭光电发布了全球首款石墨烯基锂离子电池——“烯王”。该电池作为移动充电设备，可实现15 min内快速充放电，循环次数高达3 500次，并可在较高温度下使用。

5 在水处理方面的应用

水污染是当今世界急需解决的问题，其污染物种类非常多，比如重金属离子，有毒有害、难以降解的有机物等，且常以复合形式存在。石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、高的机械强度、化学性质稳定、比表面积大等突出优点；石墨烯与碳纳米管相比，比表面积更大，吸附能力更强。利用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料、过滤材料和电极材料等，有效吸附水中的多种污染物。

对于重金属离子的吸附，氧化石墨烯的作用更明显，其表面大量的官能团能够与重金属离子相互作用，产生静电吸附，使重金属离子更好地吸附在石墨烯及其复合材料表面。实验表明，氧化石墨烯对铅的吸附容量是常规材料的10倍，对其他重金属的吸附率也达到99%，可深度净化水源。

石墨烯材料还可以有效吸附有机污染物，比如染料、抗生素、杀虫剂、原油等芳香族化合物，其吸附作用主要包括静电作用、疏水作用、π-π键、氢键。静电作用主要发生在含有带电官能团的吸附剂与有机污染物之间，比如对在水中以离子形式存在的染料的吸附；疏水作用发生在含有疏水基团的有机污染物与石墨烯之间；π-π堆积作用是一种经常发生在芳香环之间的弱相互作用；含有极性基团的碳氢化合物与氧化石墨烯之间则主要是氢键的作用。对于水中难降解的有机污染物的吸附，大多是石墨烯碳六元环与有机物的芳香环之间产生吸附作用，与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 在生物医学方面的应用

石墨烯量子点是准零维的纳米材料，除了具有石墨烯的优异性能外，还因其内部电子在各方向上的运动都受到局限，量子局限效应和边界效应特别显著，从而诱导石墨烯量子点发出荧光。将石墨烯量子点应用于生物成像中，与一般荧光体相比，其不易光衰，不会出现光漂白的情况，而且荧光更稳定。

氧化石墨烯可用于纳米载药系统，其主要有以下优点：①超大的比表面积可以实现超高的载药率；②超强的靶向性使药物容易在病灶周围密集；③突出的生物相容性和稳定性便于细胞黏附。有研究者利用氢键作用将抗肿瘤药物负载在石墨烯上，发现吸附后的复合物对肿瘤细胞的杀伤力约为传统抗肿瘤药物的1 000倍，极大地提高了难溶性药物的抗肿瘤效果。将石墨烯应用到该领域，可大大提高治疗效果。

以石墨烯為基层的生物装置或生物传感器可以检测多肽、蛋白质和DNA等生物标志物。除了在载药体系、生物监测、生物成像、肿瘤治疗领域的应用外，石墨烯及其衍生物在光热治疗、抗菌材料和组织工程支架等方面也有广阔的应用前景。

7 结束语

近年来，石墨烯因其优异的电学性能、吸附性和催化性，在各个领域都得到了广泛的关注，并取得了一些成果。但是，从总体情况来看，对石墨烯的研究仍需进一步深入，具体可从以下3方面入手：①寻求高质量、低成本的石墨烯制备工艺，实现石墨烯的可控化；②开发、完善石墨烯各方面的性能，进一步拓展其应用领域；③评估石墨烯对环境的影响，最大限度地降低石墨烯材料量产、应用给人和环境带来的风险。

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〔编辑：白洁〕