石墨烯研究进展及其应用现状

王 浩

西南石油大学材料科学与工程学院，成都 610500

近年来，石墨烯应用成果频频。随着石墨烯应用的深入研究，石墨烯的物理化学特性也被进一步挖掘出来。而前人的文章中也指出，关于石墨烯的研究成果，就关于它的文献数量来看，可以说是每天递增[1]。而石墨烯本身，除了导电性、比表面积大等优越性能之外，更是因其原子级别的独特结构特性具有着量子性质的应用特性，如量子霍尔效应，使得其在导电性能微观层面上的表现更为独特。本文通过对石墨烯的研究进展和应用成果的介绍，深入分析石墨烯的应用价值和应用前景，对石墨烯目前的研究进行综合梳理，并且介绍其在材料领域中的实际应用。

1 石墨烯介绍

石墨烯，一般为单原子层结构，而特殊情况下，由于多维空间上形成的连接和接触，石墨烯本身的单层结构之间会形成一定的联系，形成第二种情况—多层石墨烯片层结构。对于单层石墨烯结构，本质上为单层性质的石墨原子构成，但由于目前研究手段的有限性以及石墨烯单层晶体结构不同于其他晶体(晶体结构受热涨落影响而变化)的稳定晶体结构特性，目前人们似乎对其具体的结构尚且无法得知[1]。也因为其晶体结构的稳定性，前人设计出一系列制备石墨烯的方法。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。从微观结构上理解，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格(类似苯环结构)的二维碳纳米材料，其结构特征被称为莫比乌斯环拓扑特征[2]。对于石墨烯，常用的粉体生产方法为机械剥离法、氧化还原法、碳化硅(SiC)外延生长法、取向附生法、赫默(Hummer)法，薄膜生产方法则为化学气相沉积法(CVD)。而常用的制备2D性质的单分子层石墨烯片层一般有2种，一种为微机械剥离法(可以使用超声波分散仪辅助)和取向附生法[1]。

2 石墨烯研究进展

石墨烯是目前世界上最硬、最薄的新材料，同时也具有高强度、高比表面积、导热性和导电性[3]，这是对石墨烯特性的最初了解。但具体来讲，不能局限地说明石墨烯的研究进展。石墨的特殊的片层结构一直是一个研究热点。石墨烯又称单层石墨片，与石墨的单原子层类似，但结构上有本质区别，并且表面性质更为复杂。与碳纳米管相比，石墨烯有完美的杂化结构，大的共轭体系使其电子传输能力很强，而且合成石墨烯的原料是石墨，价格低廉，这表明石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比，石墨烯同样具有霍尔量子效应等物理特性[3]，在硅芯片等电子元件的替代应用上具有独特的优势。当硅无法再分割得更小作为微电子器件使用时，石墨烯的结构特性使得其仍遵守摩尔定律，并且由于电性能表现方面的独特性，通常被称为零带隙材料[2]。

根据石墨烯的制备方法，石墨烯表面的基团相对减少，在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。因此，石墨烯的均匀分散在其应用过程中往往成为关键[3-5]。一些论文指出，石墨烯的应用，往往也需要使用石墨烯的中间材料以及表面处理技术，如原位还原法[3-4]，即采用石墨烯的中间产物-亲水性相对更强的氧化石墨烯作为中间材料，对聚合物基体进行导电性的掺杂处理，同时通过热处理的方式还原氧化石墨烯为导电性良好的的石墨烯，极大提高了聚合物基体的导电性能[4]。另一方面，通过热处理方式使氧化石墨烯还原为石墨烯的方法也被应用于增强铜基复合材料的力学性能[5]。

此外，侯宏英等提出，制备出晶格缺陷可控的石墨烯材料，由于晶格缺陷对其综合电性能的改善作用，将有助于石墨烯综合性能的更强发挥[6]。

对于石墨烯，由于其本身结构的稳定性，除了控制石墨烯的制备过程外，就化学性质方面而言，郭准、何云凤等指出，通过金属及其化合物、无机非金属元素以及有机小分子与有机大分子(聚合物)实现共价键修饰或非共价键修饰是实现石墨烯功能化改性的两种有力方式[7-8]。而其复合材料的制备，通常可采用原位聚合法、溶液混合法和熔融混合法[7]。匡达等指出，基于材料的物理化学性能要求，石墨烯本身可以作为填充材料、复合组分以及材料的功能化组分等[9]。此外，作为新材料，材料本身的可持续性和绿色无污染性也受到关注。赵克丽等指出，利用一系列方法如异质原子掺杂、表面功能化修饰等对石墨烯材料进行改性，可以调控石墨烯材料的降解[10]。

3 石墨烯应用研究

由于石墨烯具有比表面积大、电导率高等优点，因而可以作为电极材料、传感器、储氢材料等。而石墨烯表面较多的含氧基团又可与水及OH—形成氢键，是一种对外界酸碱性极为敏感的材料，一般这种特性使得石墨烯在各种应用上相对具有一定的差异，同时也必然需要各种技术手段作为支撑[4-5]。

随着对石墨烯研究的拓宽和深化，其应用领域也在不断扩大。如石墨烯作为污水处理材料，通过表面基团的强吸附和光催化降解等作用机理清除液体介质中的有机污染物，并且具有较好的循环使用特性[11]。又如，原本的热离子发电技术通过采用热稳定性好、导电性佳的石墨烯材料作为阴极材料设计出热离子太阳能电池，太阳能转化率高达21%[12]。而作为超薄材料，石墨烯的衍生物—氟化石墨烯则是一种较为理想的耐摩擦防护材料，其中多层氟化石墨烯结构由于表面处理前后结构的完整性相对地具有更好的摩擦学性能，而单层石墨烯则表现出较差的耐摩擦性能[13]。而石墨烯表面本身对外界分子的敏感感知特性，也使得其成为气体分子传感识别的理想材料，通过与过渡金属铌的复合，获得新的铌掺杂石墨烯材料，根据对气体分子是否含有氧原子，从而识别区分气体分子，而且这种区分是基于化学吸附还是物理吸附[14]。此外，石墨烯材料的高强度与高韧性也使得其纳米复合材料具有相对更高的韧性[15]。

具体来说，石墨烯的应用偏向于物理性质和化学性质两方面。就物理性质而言，王凯等采用石墨烯与环氧树脂进行复合制备的新材料，其断裂几率降低，且合适用量下增韧效果明显[16]。吕生华等制备的氧化石墨烯/水泥基复合材料则表现出相对减少的孔隙率、平均孔径以及裂缝[17]。而陈汪洋等指出，石墨烯材料是一种综合性能优异的电化学材料，是一种新的储能材料[18]。顾林等则指出，单层无缺陷石墨烯优异的屏蔽性能使得其成为一种优异的金属腐蚀防护材料[19]。蒋林华等则指出导电性石墨烯水泥基复合材料是一种极具潜力的保护材料，如电磁干扰屏蔽、混凝土结构中钢筋的阴极保护[20]。而其化学性质的优越性，如王洪喜等提出的石墨烯吸附材料，由于石墨烯具有超高理论比表面积和极强的表面化学活性，相应材料表现出静电相互作用的特性，再加上表面具有高比例的含氧官能团，使得其可用于有机废气吸附剂的制备[21]。张梅等则指出，石墨烯纤维，除了较佳的力学性能外，更具有相对较强的导电性能[6]。因此，对于聚合物基复合材料，石墨烯的添加将有助于提高材料整体的导电性，实现聚合物材料的功能化应用，扩大材料的应用范围[22]。而对于传统的导电材料，如铜基材料，易受电弧烧蚀发生氧化，其氧化产物电阻高，会引起发热，失效等问题。而石墨烯本身的抗氧化性，使得石墨烯/铜复合材料是一种极具潜力的新型电接触材料增强体[23]。与此类似的，石墨烯本身的抗酸碱性质，也使得聚氨酯材料的适用范围得以扩大[24]。

此外，同为碳材料，石墨烯和碳纳米管、碳纤维等组分构成的复合材料，由于各自的物理化学性质优良，其复合材料具有相对优异的应用性能[25-26]。其中，赵冬梅等指出，石墨烯/碳纳米管复合材料的导电性、机械性等性能均得到增强[25]。

4 石墨烯应用前景

就其结构而言，石墨烯的纳米尺寸与应用性能相一致的特殊性使得其在应用方面具有其他尺寸材料无法企及的优势。但其具体结构的未知性，也让其应用的可能性受到局限。可以想象，石墨烯霍尔量子效应的存在并不一定是其特殊物理结构的唯一的功能上的优异表现；而这种碳原子规整结构之上，又带有复杂的表面官能团体系，从化学结构层面上讲，这种优势是其他碳基晶体结构不能达到的。而从其应用特性上观察。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快。基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。同时，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。随着结构特性的进一步解释，这些实验与理论上的依据又将进一步推动石墨烯相关材料的进步发展。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料[27]。

5 结论

石墨烯材料的特殊性，不仅仅在于它目前已知的应用价值，而更多地应该建立在其具体的未知的多维性空间结构具备的整体性特性上。它是一种良导体，导电、导热性能优异，而且比表面积、强度等物理性质表现极佳，但其尚未确定的性质特征更多。我们目前应用的，也仅限于对该材料的物理性质和表面化学官能团性质的应用与改善方面。而不能知道的是，它的这种特性除了基于其碳元素组成，晶体结构的基本特性—碳结构，以及表面的富官能团性质方面外，造成它这种物理化学性能的具体结构特点还表现在什么地方。我们想做的，或者说更是应该做的，或许就是提供它结构上的另一个特性，并由此推动其应用。而其新的物理化学特性的挖掘，也将进一步促进石墨烯材料在工程领域的实际应用，从而开发一类新的可应用型建筑材料。