石墨烯的制备与应用前景

霍川

(华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210)

1 引言

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

2 石墨烯的制备方法

目前，制备石墨烯的方法主要包含机械剥离法，化学剥离法、化学气相沉积法、电弧放电法、氧化还原法等多种方法。

2.1 微机械剥离法。Novoselov等人利用胶带剥离高定向热解石墨将石墨烯片粘附在胶带上，经过一系列的操作，首次成功制备得到石墨烯薄片。微机械剥离法简单迅速，制备出的石墨烯品质较高，并且能保持较完整的石墨烯晶体结构，制备过程中石墨烯产生的缺陷少，但是该方法石墨烯产量偏低，制备的石墨烯的颗粒大小不均匀，只适用于石墨烯相关试验研究。

2.2 石墨插层法。石墨插层法是以天然鳞片石墨为原料，用碱金属元素为插层剂，通过插层剂与石墨混合反应得到石墨层间化合物。此方法操作条件要求较高，可控性较差，制备出的石墨片厚度最小只能达到几十纳米，浪费大量能量的同时，会使部分石墨氧化，导致制备的石墨缺陷较多，石墨烯原有性能会受到极大的影响。

2.3 电弧放电法。电弧法是利用石墨电极在一定环境下放电，通过产生阴极沉积物而得到石墨烯的方法。制备的石墨烯为纳米级别材料，制备的石墨烯尺寸已经接近电子的长度，石墨的性质因为强相干所带来的自组织使得石墨烯得以分离[2]。电弧放电法制得的石墨烯缺陷较少，石墨烯晶型结构较完整，但是制备环境比较严格，需要耗费大量的电能，很难进行产业化制备。

2.4 化学气相沉积法。化学气相沉积法制备石墨烯是通过碳源(CXHY前驱体)在温度超过1000℃气化分解后，沉积在金属或者抛光薄膜等基底表面，然后经过剥离而的到石墨烯的方法。该方法制备的石墨烯尺寸大，层数易控，石墨烯完整度较高，是替代微机械剥离法制备石墨烯的有效方法之一，但是该方法制备工艺复杂，成本较高。

2.5 氧化石墨烯还原法。氧化石墨烯还原法，是首先制备出亲水性的氧化石墨烯，再通过强还原剂如水合肼、硼氢化钠、抗坏血酸等来还原氧化石墨烯表面的官能团，从而制备出高品质的氧化石墨烯。该方法操作简单，反应条件较温和，成本较低，被认为是目前实现产业化制备石墨烯的最有效的方法，制得的石墨烯具有较大的尺寸结构，晶型结构较完整，石墨烯各性能良好，制备的石墨烯可应用于光伏电池、电化学传感器、高性能组件和纳米医学等众多方面[5]。

3 应用前景

3.1 半导体材料。石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。石墨烯同样适用于高频电路，高频电路广泛应用于现代电子工业，由于需要大量的的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，而硅的传导频率有限，使传导效率收到了极大的限制，石墨烯的出现，高频提升的发展前景也变得更加广阔了。

3.2 基因电子测序。单层的石墨烯的厚度远小于生物DNA链中的相邻之间的距离，而DNA四种碱基之间又存在某种电子指纹，可以利用石墨烯来实现生物基因的电子测序。

3.3 航空航天材料。石墨烯以其导电性强、硬度高、质量轻等优点得以在航空航天领域应用。2014年，美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好监测大气层的微量元素。石墨烯硬度高而质量轻的特点也可硬同于制造超轻型飞机材料。

3.4 医学领域。研究表明，石墨烯已被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化，也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。此外，石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效，而且不会对人体健康造成危害。

4 结论与展望

氧化石墨烯还原法已广泛应用于石墨烯的制备中，但仍需继续寻求更加完善的石墨烯制备方法，使其得到更好的应用。石墨烯虽然从合成到今天只有短短十几年的时间，但已成为科研人员研究的热点。随着石墨烯的制备方法不断被开发，石墨烯必将被更广泛的应用到各领域中。