石墨烯的应用与发展前沿

胡俻瑜

[摘要]：手机充电只需几秒钟、史上最薄电灯泡以及光驱动飞行，这些似乎不可能发生的事情却在石墨烯的引导下成为可能。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年成功从石墨中分离出石墨烯，从而证实了石墨烯可以单独存在。石墨烯是一种二维平面结构石墨材料，其独特的结构使其具有了很多性质。有关石墨烯的研究和运用已经成为现在的热门话题。本文从石墨烯的应用方面展开论述，并对石墨烯的应用前景进行展望。

[关键词]：石墨烯；正极材料；负极材料； 太阳能电池

1、前言

目前，随着经济的高速发展，越来越多的电子设备为我们所用。但随着时代的发展和社会的需要，电子储存器件的尺寸在不断的缩小至极限。而石墨烯的发现恰恰改变了现在这种焦灼的现状。石墨烯是目前已知的导电导热性最好的材料之一。石墨烯是碳原子以sp?的单原子层构成的，它构成了其他碳材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元是苯六元环，是有机材料中最稳定的结构单元，因此保证了石墨烯的稳定性。

石墨烯的分类如表1所示

表1.石墨烯的分类

Fig1.The classification of the Graphene

类别 特点

单层石墨烯 一层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成

双层石墨烯 两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式堆垛构成

多层石墨烯 3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式堆垛构成

石墨烯 二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称

2、石墨烯的运用前沿

2.1 石墨烯的电极材料应用

2.1.1石墨烯的负极材料应用

近年来，石墨烯作为一种研究较多的新型材料，具有良好的倍率性能以及导电性能，在锂离子电池负极材料领域极具有广泛的应用前景。而纯石墨烯材料由于其首次库伦循环效率较低、而充放电平台较高以及循环稳定性较差等缺陷，并不能完全取代目前市场上的商用的碳材料直接作为锂离子电池的负极材料使用。但石墨烯可以作为一种较为优异的基体材料，从而在锂电池复合电极材料中发挥其更为优良的性质以及作用。

在对石墨烯材料进行掺杂改性后，新生成的復合材料能改善两种原始材料单独使用时所具有的缺点，由此充分发挥以及优化纯石墨烯与被改性的原始材料之间的协同效应。研究人员们将石墨烯与碳纳米管、天然石墨等碳材料复合，这些复合材料能够利用石墨烯的特殊片层结构，从而改善材料的电子传输能力以及力学性能等性质。当石墨烯复合材料用作锂离子电池负极材料时，其电化学储能性能往往优于石墨等材料，同时，其充电速度大约为石墨的十一倍。因此，石墨烯的复合材料有望实现快速充电，与此同时，当使用石墨烯复合材料时，锂离子电池的负载能力也会得到提升。

2.1.2石墨烯的正极材料应用

近年来，随着对锂电池等材料电池的不断研究进展，研究者开始研究石墨烯作为正极从而对材料的性能进行改性。石墨烯原始材料因其优异的电子传输能力以及二维高比表面积的特殊结构，从而能够有效改善正极材料的导电等电化学性能，从而有效提高锂离子的扩散传输能力。例如：作为过渡金属的磷酸盐具有储锂的开放空间，是一种新型的锂电正极材料。该材料利用石墨烯其柔韧的网状导电结构从而达到改善电极材料的导电性能。

值得一提的是：在动力电池领域中，磷酸铁以及锰酸锂是最有前途的正极材料。而在研究的正极复合材料中，相比于传统的导电添加剂方法，石墨烯导电剂的优势在其更够用较少的添加量，达到更优异的导电以及电化学性能。从而很大程度上减少了正极材料的制作成本以及制备工序。

2.2 石墨烯复合物修饰电极（与金属氧化物）

基于金属氧化物在氧化以及酸性条件下具有较优的稳定性，现在研究员们将石墨烯与金属氧化物复合，形成修饰电极，其中运用较广的金属氧化物为纳米二氧化钛。

纳米二氧化钛是目前研究较多的纳米无机功能材料之一， 具有多种性能，如具有抗菌和杀菌效果迅速、杀菌能力强的功效，同时兼具防霉、除臭、表面超亲水效应、紫外线吸收、红外线反射等多种功能，。众所周知，纳米二氧化钛因其良好的热传导性、光吸收性、透明性、催化性，以及优异的紫外线屏蔽功能，而被广泛运用于催化、化妆品、涂料、橡胶等多个行业，同时，又在医药、航空航天、薄膜防腐、半导体电池等行业有很好的应用前景。

纳米二氧化钛粒子修饰的电极在增大比表面积的同时还能够为酶的固定提供较为良好的微环境。因此，拓展了其在葡萄糖等传感器中的广泛应用。科学技术们研究出了以石墨烯以及纳米二氧化钛胶体混合物作为前驱体，通过气溶胶的辅助作用，进行自行组装的方法蒸发了包含有石墨烯、纳米二氧化水水的液滴， 从而合成了复合物。石墨烯的边缘具有亲水性，而其中心则表现为疏水的两亲结构，所以可以在蒸发的过程中积聚在雾滴的表面并且被热还原，最终形成了石墨烯的球状结构，与此同时，具有亲水性能的纳米二氧化钛粒子在蒸发过程中进行团聚作用，从而被固定在了石墨烯的球内部，与此同时，气溶胶液滴在快速蒸发过程中，液滴进行了浓缩，最终压缩成微米尺寸大小的颗粒。人们可以通过利用该复合材料从而固定修饰电极，进而可以用于电化学检测葡萄糖。

2.3 太阳能电池

目前，石墨烯的应用成果在不断被研究人员们发现，并且广泛地运用于人们的生产生活中。其中之一即是有机薄膜太阳能电池，并且该材料有望使电阳能电池的性能获得质的飞跃.近来，英国一大学在《自然杂志》上发布了一项最新的成果研究：利用石墨烯薄膜提取大气中的氢气元素，并将其广泛应用到燃料电池领域，该项发现为空气发电技术打下坚实的基础。科学界表示这是电池技术史上最具革命性的进步之一。石墨烯因其具有优良的弹性以及延展性，从而使它成为制造太阳能电池最为理想的原始材料之一。根据某家光子科学研究所的最新研究结果表明：相比于硅材料，石墨烯能够更高效地进行光电转化。其中，硅每吸收一个光子只能产生一个电流电子，而在同等条件下，石墨烯则可以产生多个电子。这样就大大提高了光电的转化效率。尽管目前石墨烯应用于太阳能电池领域尚处于初级发展阶段，但是它的潜力惊人。据调查与实验数据表示：石墨烯太阳能电池能实现大约为60%的光电转换率，是目前效率最大的晶体硅制造的太阳能电池的两倍。该项技术将极大程度地提高人们的工作效率以及极大地方便人们是生活。

3、展望

石墨烯因其具有轻薄而坚硬的属性从而可以为汽车、飞机生等交通工具提供更加优质的生产材料。同时，石墨烯也可以大大地降低交通工具的耗油量，更加贴近人们的生活，减少成本，为我们的生活提供便利。通过一些研究实验数据，我们发现：石墨烯可以将药品传送到人体的特定位置，在医疗方面提供了更加有效的治疗方法。在治疗脑部疾病方面也大有可为。石墨烯薄膜还可以用来过滤海水，提取其中的盐分和其他杂质，将一些不必要的化学物质排除在外净化出可饮用的水。随着社会及经济技术的极速推进石墨烯的应用将会更加快速的融入我们的生活，石墨烯的应用会使人们生活与工作的周边环境不断发生变化。更加有利于我们的生活。其他材料的出现也在极大限度地方便着我们的学习与生产生活。石墨烯作为研发的热门材料的一种，在各个领域中将会最大化的发挥自己的作用。通过科研人员的不断努力探索，我相信石墨烯的应用将会被更大化地进行开发，从而更有利于我们生活的领域。

[参考文献]：

[1]胡耀娟，石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J]，物理化学学报物理化学学报，2010， 26（8）：2073-208

[2]徐秀娟，石墨烯研究进展[J]，化学进展2009.12

[3]付强，石墨烯化学研究进展[J]，中国科学杂志社论文

[4]于小雯，盛凯旋.基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感[J].化学学报.2014