石墨烯及其氧化物在作物培苗及电极材料方面的应用

2021-12-01李彩琴刘荔贞赵建国

山西大同大学学报(自然科学版) 2021年4期

李彩琴，乔俊，刘荔贞，赵建国

（山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009）

石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成的呈蜂巢晶格的一种二维晶体，是目前发现的最薄、最强的一种新型材料，导电导热性能也超强，被认为是“改变未来世界的神奇新材料”[1]。石墨烯独特的物理性质，使其成为一种高度通用的材料。比如：在能源和环境中起到修复作用；在农业和施肥方面起到促进作用；在电极和催化过程能够提高效率。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物形式，有极大的比表面积，光学性能和机械稳定性都比较好，是具有层状结构的一种新型碳材料。GO 中含有丰富的官能团，其大的比表面积和丰富的官能团优异性质在吸附、催化、传感等众多领域有着突出应用，在植株生长中可以有效提高培苗根系形态，在电极材料、传感器的研究与应用方面掀起了一股研究热潮。

1 石墨烯及其氧化物在作物培苗方面的应用

1.1 石墨烯对作物幼苗根系形态及生物量的影响

郭绪虎[2-3]等将已消毒的藜麦种子播种在含有不同质量浓度石墨烯的MS 培养基中培养14 d，发现质量浓度为4.8 mg/L 的石墨烯对于生长着的藜麦幼苗根系形态和生物量的增加具有一定程度的提高。在石墨烯质量浓度为8 mg/L 的MS 培养基培育的藜麦幼苗生长状况明显优于对照组。当质量浓度为4.8 mg/L 时，石墨烯MS 培养基上生长的藜麦幼苗根尖生长更好，分叉也变多。另外，经不同质量浓度石墨烯处理后的藜麦幼苗除20 mg/L 的石墨烯外，其余处理藜麦幼苗干物质总量积累均显著大于对照组，8 mg/L的石墨烯质量浓度对藜麦幼苗干物质积累具有明显的加速作用，大约为对照组幼苗干物质质量的1.6 倍。这表明，一定浓度的石墨烯有利于藜麦幼苗的干物质积累。

金彩霞[4]等人对抗生素磺胺嘧啶(SD)和石墨烯以及它们的复合材料进行了小麦生根发芽的毒理测试。实验结果表明只有加入石墨烯的小麦生长更快，而在石墨烯-SD 混合时，SD 起主导作用，石墨烯反而加大了SD对小麦种子的侵害，不利于小麦的生长。

刘尚杰[5]等通过研究石墨烯对水稻发芽、根系形态、幼苗生长量等方面的影响，发现石墨烯对水稻种子的萌发有一定的延缓作用，而在石墨烯浓度较低的情况下，石墨烯对水稻幼苗形态建成有着某些促进作用。

虽然在众多的试验研究中，我们发现石墨烯在多数作物幼苗的生长中起到的是促进萌发的作用，但我们无法通过对一种作物的研究来断定石墨烯对所有草生植物幼苗的生长指标，这依然需要我们对其他作物幼苗的生理机制进行探究。我们可以总结为，石墨烯的浓度或使用量对于作物幼苗的生长过程起着或大或小的影响。

1.2 氧化石墨烯对植株培苗生长的影响

薛斌龙[6]等以树莓组培苗为实验原料，将盐胁迫下的树莓生根培养基进行不同处理后于相同培养条件下测定了氧化石墨烯对盐胁迫下的树莓组培养基生根效果、抗氧化酶活性及其导电率的改变情况。结果发现，盐胁迫再加适量浓度GO 处理后的树莓组培苗生根状况更佳，植株叶量明显增加，进一步证明GO可缓解盐胁迫对植株造成的损伤，让幼苗根系在最佳生长环境中成熟。此外，在加入不同浓度GO 处理的盐胁迫树莓幼苗中，根系含有的3种抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)]的活性均降低，在茎段中的POD 和SOD 活性有所提高。这表明，植株本身含有的保护性酶是调节自身的新陈代谢和吸收，而实验中的GO 恰巧起到了增加其吸附面积的作用。另外一方面，实验中添加不同浓度GO 后的NaCl 胁迫树莓培苗电导率均高于单独盐胁迫的树莓培养基电导率，证明了GO 表面所带的负电荷使其电导率升高。

吴金海[7]等发现氧化石墨烯对甘蓝型油菜种子的萌发具有促进作用，而根系生长指标大多数要取决于石墨烯的浓度。另外，甘蓝型油菜培苗中所含的保护性酶也随GO 的浓度改变而产生不同程度的改变。

陈天霞[8]等采用山西省杨树局组内的美国红栌组培苗为实验原料，发现只有在较低或较高浓度GO处理下的培苗根系较完整，其他浓度GO 处理后的培苗根系形态不佳，但是所有浓度GO 处理后的美国红栌组培苗芽数均有所增加。

近年来，中国许多学者致力于研究石墨烯、GO对于草本植物、木本植物等的根系生长影响，发现绝大多数的植物培苗在加入石墨烯或GO 的情况下呈良好的生长趋势，这也为未来石墨烯在农林业领域的发展提供了有力的理论基础。

2 石墨烯及其氧化物在电极材料方面的应用

2.1 石墨烯的电性改良

石墨烯的特殊结构使得其在挤压时受损程度能够降到最低。石墨烯在室温下的载流子迁移率多达硅材料的10 倍以上，且石墨烯的电子迁移率受温度影响极小，是一种较为合适的电性改良原料。

刘雨璇[9]等分别制备了椰壳活性炭（AC）和石墨烯/椰壳活性炭复合材料。在扫描电子显微镜（SEM）下看到的AC 呈块状，因为椰壳在高温下不被氧化使得AC 表面存在着许多不规则颗粒，而石墨烯的片层结构使得它在膨胀或压缩时都不易损坏。将活性炭和石墨烯混合成不同比例的石墨烯/椰壳活性炭复合材料进行循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）测试，由于石墨烯的电导率大于活性炭，这就提高了电子迁移率，复合材料的比电容也比椰壳活性炭增大了许多，有了更加良好的电学性能。

Ju Fu[10]等人成功地制作了独特的三维（3D）分层多孔NiO 微花/石墨烯纸（fNiO/ GP）电极。所得的fNiO/GP 电极在高速率下显示出优异的长期循环稳定性。便捷的3D 多孔结构结合了石墨烯的优势，石墨烯的高导电性和柔韧性，可确保快速的电子/离子传输并在充电/放电过程中缓冲NiO 的体积膨胀，以及可诱导层次结构之间的分层的微型NiO 花。纳米级的孔隙可以促进电解质的渗透并防止石墨烯层的重新堆积。这种结构设计将激发未来用于高性能柔性LiB的各种活性材料/石墨烯复合电极的制造。

2.2 氧化石墨烯作为电极材料的应用

由于GO 含有的丰富官能团和较好的稳定性，以及良好的荧光猝灭特性[10]可以作为荧光传感器应用于繁杂的离子检测体系中，也可以作为一种透明电极应用到制造有机电致发光器件（OLED）上。在同等情况下，能更大程度地增加电极材料的多方面性能。

郭颂[11]等用GO 分别与空穴传输材料NPB 和8-羟基喹啉铝(Alq3)掺杂制备不同的OLED，发现制备条件和测试环境一致的情况下，GO 与NPB 掺杂组成的器件性能明显低于单一NPB材料，而GO与Alq3共蒸镀组合成的器件却高于单一Alq3器件，且GO 掺杂质量浓度为10%时，共蒸镀掺杂材料性能达到最佳。与石墨烯以一定比例混合的OLED 比原来更加高效、发光亮度增大，驱动电压无需太大，极大地改进了OLED的性能。

吕鑫[12]等通过将APTS 和GPTS 在GO 表面把功能化纳米氧化锌和功能化纳米氧化钛混合，测定了不同配比复合涂料的稳定性，以寻求最佳配比。实验测得，GO 与功能化纳米氧化锌的质量比为3∶1 是最佳比例，能够使涂层达到稳定的最佳实验温度是80 ℃，而实验时间控制在15 min最佳。

刘叶峰[13]等制备出GO负载化的钴酞菁复合催化剂CoAlPc/GO，并对其进行了红外光谱检测、固载化醛基钴酞菁的形貌和微观结构的探测及CoAlPc/GO催化剂的光催化性能探究。证明了CoAlPc/GO 催化剂是一种稳定的，且可以重复使用的具有优良性能的催化剂。

GO 对于OLED 的研发探索会越来越受到关注，而GO 作为一种电极制备材料在电容器、生物传感器等导电发光导热设备中有着极好的应用前景，会有效推动化工方面的研发技术。