石墨烯研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

石墨烯是最近發(fā)現(xiàn)的一種具有二維平面結(jié)構(gòu)的碳納米材料，它的特殊單原子層結(jié)構(gòu)使其具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究已成為當(dāng)前的前沿和熱點(diǎn)課題之一。本文僅就目前石墨烯的在化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用作一綜述，重點(diǎn)闡述石墨烯應(yīng)用于化學(xué)修飾電極、化學(xué)電源、催化劑和藥物載體以及氣體傳感器等方面的研究進(jìn)展，并對(duì)石墨烯在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景作了展望。

修飾電極碳材料具有較好的導(dǎo)電性、寬的電位窗以及對(duì)許多氧化還原反應(yīng)較高的電催化活性等特性，已經(jīng)被廣泛地用于電化學(xué)研究中。碳納米材料同時(shí)結(jié)合了碳材料和納米材料的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于修飾電極的制備，如CNTs、碳納米纖維、介孔碳等都被廣泛用于電極的制作材料。

石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，因而對(duì)一些特定電對(duì)及底物具有較高的電催化性能，并且其具有大的比表面積和生物相容性，可用于生物蛋白質(zhì)或酶等生物大分子的固定及特定生物電化學(xué)傳感器的制作，因而已引起了電化學(xué)工作者的高度關(guān)注。Sampath等把剝離的石墨烯氧化物懸浮液涂覆到玻碳(GC)和金(Au)電極表面，分別形成了石墨烯氧化物修飾的GC和Au電極，并將這些修飾電極用于研究一些典型氧化還原電對(duì)如Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、抗壞血酸 (AA)、多巴胺(DA)等的電化學(xué)反應(yīng)特性。

隨后，多個(gè)研究組運(yùn)用類似的方法制備了石墨烯修飾電極，并研究了多個(gè)常見的氧化還原電對(duì)(如 Ru(NH3)3+6/Ru(NH3)2+6、Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、Fe3+/Fe2+、H2O2及NADH等)在石墨烯修飾電極表面的電化學(xué)反應(yīng)特性。為了比較石墨烯與其它碳材料的電化學(xué)特性，Wang等用Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、NADH、AA作為氧化還原探針，研究并比較了單壁碳納米管(SWNTs)、石墨烯氧化物、化學(xué)法還原的石墨烯氧化物(CRGO)以及電化學(xué)方法還原的石墨烯氧化物(ERGO)四種碳納米材料的電化學(xué)特性，循環(huán)伏安結(jié)果表明，這些氧化還原探針在這四種碳材料表面的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)依賴于這些材料的表面化學(xué)特性及其導(dǎo)電率，這些電活性物質(zhì)在 SWNT和ERGO表面的氧化還原動(dòng)力學(xué)要比在石墨氧化物和CRGO表面快得多，為石墨烯在電化學(xué)中的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

其次，新型的化學(xué)電源體系，尤其是二次電池和超級(jí)電容器是目前重要的“綠色”儲(chǔ)能裝置。各種碳材料，特別是sp2雜化的碳材料，由于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)、超大的比表面積而成為重要儲(chǔ)能裝置的電極材料。碳材料如無(wú)定形碳、多孔碳、石墨等已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池中。由于納米材料一般具有大的比表面積、小的尺寸效應(yīng)及良好的催化活性，因而可以提高電池的比容量，在不同的碳納米材料中，CNTs由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛用作鋰離子電池的電極材料。類似于CNTs,石墨烯有著較高的比表面積和特異的電子傳導(dǎo)能力，在鋰離子電池領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景，因而受到了研究者的普遍關(guān)注。

再次，太陽(yáng)能電池除了顯示出作為超級(jí)電容器、鋰離子電池和燃料電池電極材料的巨大潛力外，石墨烯在太陽(yáng)能電池應(yīng)用方面也展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。銦錫氧化物(ITO)由于其高的電導(dǎo)率和光透射率已被廣泛用作太陽(yáng)能電池的電極材料，但由于銦資源稀缺，人們急需要尋找一些替代品來代替ITO。石墨烯具有良好的透光性和導(dǎo)電性，很有潛力成為ITO的替代材料。利用石墨烯制作透明的導(dǎo)電膜并將其應(yīng)用于太陽(yáng)電池中也成為人們研究的熱點(diǎn)。Becerril等把石墨烯氧化物旋涂到石英表面，對(duì)其進(jìn)行熱還原處理后，電導(dǎo)率為102S˙cm-1，并且在400-1800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)透光率可達(dá)80%，表明該材料可用作太陽(yáng)能電池的電極。

Wang等利用熱膨脹石墨氧化物作為原料，對(duì)其進(jìn)行熱還原處理后得到的石墨烯可制作成透明導(dǎo)電膜，厚度約為10nm，電導(dǎo)率為550S˙cm-1，在1000-3000nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透光率達(dá)70%，應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)電池中，取得了較好的結(jié)果。Liu等首次利用功能化的石墨烯作為光電子器件的電子受體材料，當(dāng)聚(3-辛基噻吩)(P3OT)和聚(3-己基噻吩)(P3HT)作為給體材料時(shí)，石墨烯和P3OT/P3HT的相互作用可以使該復(fù)合物很好地作為太陽(yáng)能電池電極的活性層，該有機(jī)太陽(yáng)能電池的開路電流密度為4.0mA˙cm-2，開路電壓為0.72V，光轉(zhuǎn)化率達(dá)到 1.1%。該課題組還用溶液法制備了石墨烯透明導(dǎo)電膜，將其作為有機(jī)太陽(yáng)電池的陽(yáng)極，由于使用的石墨烯未經(jīng)過有效還原，所以電阻較大，導(dǎo)致得到的太陽(yáng)電池的開路電流及填充因子不及氧化銦，如果可以降低石墨烯膜的電阻，得到的結(jié)果可能會(huì)更好。

最后，催化劑和藥物載體碳材料在多相催化中一直受到廣泛的關(guān)注，石墨化的碳材料，包括石墨、碳黑、活性碳、CNTs、碳納米纖維等，已廣泛用作催化劑的載體。大量的研究結(jié)果表明碳載體的結(jié)構(gòu)對(duì)擔(dān)載催化劑的性能有很大影響，石墨烯具有規(guī)整的二維表面結(jié)構(gòu)，可以作為一個(gè)理想的模板擔(dān)載催化劑。Mastalir等把Pd納米顆粒固定到氧化石墨烯上，首次研究了 Pd-石墨烯氧化物納米復(fù)合物催化劑的性能，該催化劑對(duì)液相中乙炔加氫反應(yīng)有很高的催化活性和選擇性。Scheuermann等把該催化劑用于催化 Suzuki-Miyaura反應(yīng)，與傳統(tǒng)的Pd-C催化劑相比較，基于石墨烯的催化劑有著更高的催化活性。

由于石墨烯具有單原子層結(jié)構(gòu)，其比表面積很大，且由于其良好的生物相容性，非常適合用作藥物載體。Dai等首先制備了聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能夠在血漿等生理環(huán)境下保持穩(wěn)定分散，然后利用π-π相互作用首次成功地將抗腫瘤藥物喜樹堿衍生物(SN38)負(fù)載到石墨烯上，開啟了石墨烯在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究。Yang等利用氫鍵作用，以可溶性石墨烯作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)了抗腫瘤藥物阿霉素(DXR)在石墨烯上的高效負(fù)載。由于石墨烯具有很高的比表面積，DXR在石墨烯上的負(fù)載量可達(dá)2.35g˙g-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它的藥物載體。