石墨烯研究进展及应用前景展望

作者：张旭

　　石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。本文仅就目前石墨烯的在化学领域中的应用作一综述，重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展，并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。

　　修饰电极碳材料具有较好的导电性、宽的电位窗以及对许多氧化还原反应较高的电催化活性等特性，已经被广泛地用于电化学研究中。碳纳米材料同时结合了碳材料和纳米材料的特点，已经被广泛用于修饰电极的制备，如CNTs、碳纳米纤维、介孔碳等都被广泛用于电极的制作材料。

　　石墨烯具有良好的导电性能，因而对一些特定电对及底物具有较高的电催化性能，并且其具有大的比表面积和生物相容性，可用于生物蛋白质或酶等生物大分子的固定及特定生物电化学传感器的制作，因而已引起了电化学工作者的高度关注。Sampath等把剥离的石墨烯氧化物悬浮液涂覆到玻碳(GC)和金(Au)电极表面，分别形成了石墨烯氧化物修饰的GC和Au电极，并将这些修饰电极用于研究一些典型氧化还原电对如Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)等的电化学反应特性。

　　随后，多个研究组运用类似的方法制备了石墨烯修饰电极，并研究了多个常见的氧化还原电对(如Ru(NH3)3+6/Ru(NH3)2+6、Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、Fe3+/Fe2+、H2O2及NADH等)在石墨烯修饰电极表面的电化学反应特性。为了比较石墨烯与其它碳材料的电化学特性，Wang等用Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、NADH、AA作为氧化还原探针，研究并比较了单壁碳纳米管(SWNTs)、石墨烯氧化物、化学法还原的石墨烯氧化物(CRGO)以及电化学方法还原的石墨烯氧化物(ERGO)四种碳纳米材料的电化学特性，循环伏安结果表明，这些氧化还原探针在这四种碳材料表面的电子转移动力学依赖于这些材料的表面化学特性及其导电率，这些电活性物质在SWNT和ERGO表面的氧化还原动力学要比在石墨氧化物和CRGO表面快得多，为石墨烯在电化学中的进一步研究和应用提供了一定的理论基础。

　　其次，新型的化学电源体系，尤其是二次电池和超级电容器是目前重要的“绿色”储能装置。各种碳材料，特别是sp2杂化的碳材料，由于其特殊的层状结构、超大的比表面积而成为重要储能装置的电极材料。碳材料如无定形碳、多孔碳、石墨等已经广泛地应用于锂离子电池中。由于纳米材料一般具有大的比表面积、小的尺寸效应及良好的催化活性，因而可以提高电池的比容量，在不同的碳纳米材料中，CNTs由于其独特的结构已经被广泛用作锂离子电池的电极材料。类似于CNTs,石墨烯有着较高的比表面积和特异的电子传导能力，在锂离子电池领域内有着广泛的应用前景，因而受到了研究者的普遍关注。

　　再次，太阳能电池除了显示出作为超级电容器、锂离子电池和燃料电池电极材料的巨大潜力外，石墨烯在太阳能电池应用方面也展现出独特的优势。铟锡氧化物(ITO)由于其高的电导率和光透射率已被广泛用作太阳能电池的电极材料，但由于铟资源稀缺，人们急需要寻找一些替代品来代替ITO。石墨烯具有良好的透光性和导电性，很有潜力成为ITO的替代材料。利用石墨烯制作透明的导电膜并将其应用于太阳电池中也成为人们研究的热点。Becerril等把石墨烯氧化物旋涂到石英表面，对其进行热还原处理后，电导率为102S·cm-1，并且在400-1800nm波长范围内透光率可达80%，表明该材料可用作太阳能电池的电极。Wang等利用热膨胀石墨氧化物作为原料，对其进行热还原处理后得到的石墨烯可制作成透明导电膜，厚度约为10nm，电导率为550S·cm-1，在1000-3000nm的波长范围内透光率达70%，应用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的结果。Liu等首次利用功能化的石墨烯作为光电子器件的电子受体材料，当聚(3-辛基噻吩)(P3OT)和聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为给体材料时，石墨烯和P3OT/P3HT的相互作用可以使该复合物很好地作为太阳能电池电极的活性层，该有机太阳能电池的开路电流密度为4.0mA·cm-2，开路电压为0.72V，光转化率达到1.1%。该课题组还用溶液法制备了石墨烯透明导电膜，将其作为有机太阳电池的阳极，由于使用的石墨烯未经过有效还原，所以电阻较大，导致得到的太阳电池的开路电流及填充因子不及氧化铟，如果可以降低石墨烯膜的电阻，得到的结果可能会更好。

　　最后，催化剂和药物载体碳材料在多相催化中一直受到广泛的关注，石墨化的碳材料，包括石墨、碳黑、活性碳、CNTs、碳纳米纤维等，已广泛用作催化剂的载体。大量的研究结果表明碳载体的结构对担载催化剂的性能有很大影响，石墨烯具有规整的二维表面结构，可以作为一个理想的模板担载催化剂。Mastalir等把Pd纳米颗粒固定到氧化石墨烯上，首次研究了Pd-石墨烯氧化物纳米复合物催化剂的性能，该催化剂对液相中乙炔加氢反应有很高的催化活性和选择性。Scheuermann等把该催化剂用于催化Suzuki-Miyaura反应，与传统的Pd-C催化剂相比较，基于石墨烯的催化剂有着更高的催化活性。由于石墨烯具有单原子层结构，其比表面积很大，且由于其良好的生物相容性，非常适合用作药物载体。Dai等首先制备了聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能够在血浆等生理环境下保持稳定分散，然后利用π-π相互作用首次成功地将抗肿瘤药物喜树碱衍生物(SN38)负载到石墨烯上，开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究。Yang等利用氢键作用，以可溶性石墨烯作为药物载体，实现了抗肿瘤药物阿霉素(DXR)在石墨烯上的高效负载。由于石墨烯具有很高的比表面积，DXR在石墨烯上的负载量可达2.35g·g-1,远远高于其它的药物载体。