石墨烯研究進展&應用前景展望

    鋰電世界    石墨烯是最近發現的一種具有二維平面結構的碳納米材料，它的特殊單原子層結構使其具有許多獨特的物理化學性質。有關石墨烯的基礎和應用研究已成為當前的前沿和熱點課題之一。本文僅就目前石墨烯的在化學領域中的應用作一綜述，重點闡述石墨烯應用于化學修飾電極、化學電源、催化劑和藥物載體以及氣體傳感器等方面的研究進展，并對石墨烯在相關領域的應用前景作了展望。

    修飾電極碳材料具有較好的導電性、寬的電位窗以及對許多氧化還原反應較高的電催化活性等特性，已經被廣泛地用于電化學研究中。碳納米材料同時結合了碳材料和納米材料的特點，已經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電性能，因而對一些特定電對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，可用于生物蛋白質或酶等生物大分子的固定及特定生物電化學傳感器的制作，因而已引起了電化學工作者的高度關注。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如Fe(CN)3-6/Fe(CN)4-6、抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)等的電化學反應特性。

    隨后，多個研究組運用類似的方法制備了石墨烯修飾電極，并研究了多個常見的氧化還原電對(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反應特性。為了比較石墨烯與其它碳材料的電化學特性，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、化學法還原的石墨烯氧化物(CRGO)以及電化學方法還原的石墨烯氧化物(ERGO)四種碳納米材料的電化學特性，循環伏安結果表明，這些氧化還原探針在這四種碳材料表面的電子轉移動力學依賴于這些材料的表面化學特性及其導電率，這些電活性物質在SWNT和ERGO表面的氧化還原動力學要比在石墨氧化物和CRGO表面快得多，為石墨烯在電化學中的進一步研究和應用提供了一定的理論基礎。

    其次，新型的化學電源體系，尤其是二次電池和超級電容器是目前重要的“綠色”儲能裝置。各種碳材料，特別是sp2雜化的碳材料，由于其特殊的層狀結構、超大的比表面積而成為重要儲能裝置的電極材料。碳材料如無定形碳、多孔碳、石墨等已經廣泛地應用于鋰離子電池中。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由于其獨特的結構已經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能力，在鋰離子電池領域內有著廣泛的應用前景，因而受到了研究者的普遍關注。

    再次，太陽能電池除了顯示出作為超級電容器、鋰離子電池和燃料電池電極材料的巨大潛力外，石墨烯在太陽能電池應用方面也展現出獨特的優勢。銦錫氧化物(ITO)由于其高的電導率和光透射率已被廣泛用作太陽能電池的電極材料，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電膜并將其應用于太陽電池中也成為人們研究的熱點。Becerril等把石墨烯氧化物旋涂到石英表面，對其進行熱還原處理后，電導率為102S·cm-1，并且在400-1800nm波長范圍內透光率可達80%，表明該材料可用作太陽能電池的電極。Wang等利用熱膨脹石墨氧化物作為原料，對其進行熱還原處理后得到的石墨烯可制作成透明導電膜，厚度約為10nm，電導率為550S·cm-1，在1000-3000nm的波長范圍內透光率達70%，應用于染料敏化太陽電池中，取得了較好的結果。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，當聚(3-辛基噻吩)(P3OT)和聚(3-己基噻吩)(P3HT)作為給體材料時，石墨烯和P3OT/P3HT的相互作用可以使該復合物很好地作為太陽能電池電極的活性層，該有機太陽能電池的開路電流密度為4.0mA·cm-2，開路電壓為0.72V，光轉化率達到1.1%。該課題組還用溶液法制備了石墨烯透明導電膜，將其作為有機太陽電池的陽極，由于使用的石墨烯未經過有效還原，所以電阻較大，導致得到的太陽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，得到的結果可能會更好。

    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。大量的研究結果表明碳載體的結構對擔載催化劑的性能有很大影響，石墨烯具有規整的二維表面結構，可以作為一個理想的模板擔載催化劑。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合物催化劑的性能，該催化劑對液相中乙炔加氫反應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，與傳統的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構，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境下保持穩定分散，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)負載到石墨烯上，開啟了石墨烯在生物醫藥方面的應用研究。Yang等利用氫鍵作用，以可溶性石墨烯作為藥物載體，實現了抗腫瘤藥物阿霉素(DXR)在石墨烯上的高效負載。由于石墨烯具有很高的比表面積，DXR在石墨烯上的負載量可達2.35g·g-1,遠遠高于其它的藥物載體。