石墨烯前沿應用研究發(fā)展綜述

石墨烯前沿應用爭辯進展綜述石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂20042（AndreGeimKonstantin墨烯在各個領域中的應用都是涉及到它的導電性能和機械淡化、光崔化等角度介紹石墨烯的爭辯進展狀況。新能源電池導電添加劑及電極復合材料在二氧化錫（一種鋰離子電池負極材料）材料，可以有效緩解電池充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹問題復合材料比一般的導電劑性能更好，削減了多次循環(huán)的損耗，司ChengQian團隊研制出呈蜂窩狀的多孔石墨烯海綿將其用作鋰離子正負電極的導電添加劑時能夠有效提高電池電極的電子傳導率，降低活性物質的電荷轉移電阻，提升電池倍率性能和循環(huán)。石墨烯材料是導電添加劑材料的重要爭辯方向。將石墨烯導電劑和具有更高導電性的碳材料組成復合導電劑，能夠使導電劑更充分地接觸活性物質，可從不同維度上構建協(xié)同導電網(wǎng)絡，更好地改善正極性能。ft東高校Jiang Rongyan等人在二氧化錳（MnO2）基電極材料中加入質量分數(shù)5%和10%的炭黑與石墨烯后顯著提升了電極材料的性能。清華高校爭辯團隊利用質量分數(shù)1%Super-P(SP) 和質量分數(shù)為0.2% 的石墨烯納米片（GN）作為二元導電劑，在鈷酸鋰）電極中構建有效的導電網(wǎng)絡，提升電倍率性能和循環(huán)，優(yōu)于市場上含有3%SP的電池，進一步論證了GN添加劑用于高性能鋰離子鋰電池的商業(yè)潛力。集流體2012年，科學院金屬爭辯的集流體[7]。Ruoff課題組將泡沫石墨烯作為集流體，并應碳材料，具有良好的機械性能和導電率。生物醫(yī)學領域生物醫(yī)學傳感器在生物醫(yī)學領域石墨烯的爭辯主要是關注用于物分子檢測的氧化石墨烯生物探測器設備的研發(fā)氧化墨烯的抗菌作用、石墨烯生物安全性以及毒性作用機理等研究石墨烯在生物光熱治療光儲存方面的爭辯[9]生醫(yī)學傳感器是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。墨爾本高校爭辯團隊設計了一種基于石墨烯的熱電傳感裝置。該裝置首先是構造一個邊緣為氫鈍化的曲折的石墨烯納米帶，再讓石墨烯納米帶的表面接近單個生物分子，從而精確?????地檢測出單個分子。印度 CSIR 公司Bhatnagar 等人設計出一種石墨烯量子點和聚酰胺-(PAMAM) 納米復合修飾金電極超敏心肌肌鈣蛋白I抗體于快速檢測人心肌梗死石墨烯是一種很有前景的納米DNA測序材料基于石墨烯的傳感器可以用于DNA測序但目前市場規(guī)模較小。原理是納米孔與基于石墨烯的傳感器結合起來，讓單個DNA分子穿過傳感器，從而實現(xiàn)單DNA分子序[12]。浙江高校梁立軍通過對多層石墨烯納米孔道中對DNA 分子進行穿孔行為的爭辯，發(fā)覺多層石墨烯對于 測序在精度方面優(yōu)于單層石墨烯。氧化石墨烯的抗菌作用及生物安全性由于傳統(tǒng)的抗生素的濫用會造成抗藥性問題，抑菌性能減弱，而納米材料具有獨特的結構特性，可以用來制作高效安全的抗菌劑，所以納米抗菌材料如今得到人們的關注和重視。石墨烯的衍生物如氧化石墨烯在抗菌領域中具有強大的應用潛力新加坡南洋理工高校LiuShaobin等人使用原子力顯微鏡發(fā)覺了氧化石墨烯（GO）對大腸埃希菌的破壞作用。GO通過包裹此種菌的細胞，阻斷了細胞與四周環(huán)境的交互阻擋細胞的不斷增值，從而造成此種類細胞丟失活性，但氧化石墨烯薄片尺寸較小時，不能有效地將細胞與環(huán)境隔離。印度阿利加爾穆斯林高校Kulshrestha 等人將氧化石墨烯與鋅離子結合制成石墨烯/氧化鋅納米復合物（GZNC），探究了GZNC對變形鏈球菌致齲特性的潛在影響，發(fā)覺其對變異鏈球菌的抗菌作用格外顯著，GZNC 具有有效抑制變異鏈球菌生物膜形成的力量。氧化石墨烯的抗菌機理主要有對細菌細胞壁和細胞膜的氧化應激和直接破壞2方面，目前學術界不少人對GO的抗菌性能持懷疑態(tài)度，還需要進行更深層次的爭辯?；蜉d體點。石墨烯及其衍生物能作為基因載體，主要是因其具有以下性能：①易于進行化學修飾；②可以結合核苷酸；③④⑤低毒DongHaifeng等人利用石墨烯納米帶（GNR）PEI—GNR基因載體。蘇州高校馮良珠通過靜電吸附方法有效地將帶正電荷的聚乙烯亞胺分子包裹到納米石墨烯表面，基于石墨烯進行一系列基因載體的構建構建的堿化氧化石墨合體被證明在細胞水平上具有基因負載力量[19]。加拿大麥吉爾高校ImaniRana和他的團隊使用磷脂的聚合物(PL—PEG)和細胞穿透肽(CPP) 來改進基于 GO 納米載體的穩(wěn)定性和siRNA轉染力量[20]由于不同石墨烯材料對基因載體的性能的影響不同，需要進行更系統(tǒng)的對比爭辯，進一步優(yōu)化對石墨烯基因載體的設計。海水淡化脫鹽法(CDI)El—Deen等人將顆粒狀的納米二氧化錳（MnO2）MnO2分別與石墨烯進行復/MnO2復合材料的特點進行對MnO2作為電極時，電容去離子效果更5.01mg/g93%再循環(huán)力量。ft東高校韓登程等人在石墨烯片層中間引入一MnO2子的有效接觸面積得到增加，提升了脫鹽性能。麻省理工學RohitKaenik在試驗中發(fā)覺，脫鹽要求設計堅韌的石墨烯基膜，要保障濾膜能承受高壓流淌，以此來消退海水中的鹽離子。石墨烯可以作為吸附劑石墨烯格外適合作為吸附劑來吸附有機物（特殊稅大分子有機污染物）和無機陰離子，其中氧化石墨烯對無機污染物的吸附效果較好。綏化學院遲彩霞等人將抗壞血酸作為還原劑，通過還原誘導自組裝法制備石墨烯氣凝膠，并將這種材料用于吸附甲苯等，該物質表現(xiàn)出不錯的吸附性能和循環(huán)使用性能。青島高校楊彩霞使用生物相容性好的聚乙烯醇接受溶膠—凝膠法制備出了O復合水凝膠材料，并爭辯了該材料對亞甲基藍的吸附性能，其吸附的容量高達476mg/g。石墨烯水凝膠材料極大提高了吸附性能，有效避開了二維石墨烯材料直接用于水處理產(chǎn)生的二次污染問題?？茖W院沈陽國家試驗室材料科學爭辯所Zhao Jinping等人利用水熱法制備出擁有超低密度（2.1mg/cm3）的氮摻雜多孔體形的石墨烯材料，該材料能吸附相當于其自身質量200～600倍的原油和有機溶劑。石墨烯用作過濾分別材料科技高校近代力學系教授吳恒安與英國曼徹斯特高校合作爭辯發(fā)覺，氧化石墨烯薄膜具有快速精準篩選離的性能。吳恒安課題組接受分子模擬方法，爭辯了石墨烯米通道對離子的過濾機理。爭辯發(fā)覺水中的氧化石墨烯薄與水相互作用后形成大約 0.9nm 寬毛細通道，直徑超過0.9nm的離子會被完全阻隔。石墨烯與離子之間存在的相互作用使離子在納米通道中聚集，從而促進離子的快速集中也稱為“離子海綿效應”。這一爭辯意味著制造出將海水變成飲用水的過濾裝置有望成為現(xiàn)實。英國曼徹斯特高校爭辯員研發(fā)了一種新型石墨烯氧化物薄膜。他們利用環(huán)氧樹脂層在薄膜的兩邊形成“阻斷墻”，使薄膜在水中的膨脹程度得到有效把握。當薄膜膨脹時，這種方法能把握薄膜上微空的大小，從而實現(xiàn)更精準過濾細小鹽離子的目標，將來有能使這種技術實現(xiàn)大規(guī)模市場化的應用[28]。上海應用物理爭辯所、上海高校和浙江農(nóng)林高校等單位合作研發(fā)設計出種疊層氧化石墨烯薄膜。這種薄膜可通過水合離子精密調(diào)層間距，能夠實現(xiàn)對鹽溶液中包括鉀離子在內(nèi)的離子的截留，使水分快速通過，達到精確篩分水分子和不同離子的果。石墨烯在光催化方面的應用利用太陽能光催化分解水產(chǎn)生氫能源，是目前進展可再生能源的有效途徑之一。光催化技術是處理工業(yè)廢水的有效途徑之一。目前的光催化材料主要有金屬氧化物、氮化物、金屬硫化物、納米復合材料等。石墨烯材料因其獨特的電子傳輸特性，將其與其他材料復合制出光催化材料，能夠明顯提升光催化效果，是該領域爭辯的技術熱點之一。西南高校資環(huán)學院朱紅慶團隊接受光催化還原法成功制備出微米級碳化硅石墨烯復合材料SiC與石墨烯復合使光電子和光生空穴的分別效率有了顯著提高，延長了其壽命。在可見光的照射下當SiC/石墨烯配比為1:0.8時對常見染料污染物羅丹明B(RhB)具有明顯的催化效果，光照60 min時RhB的降解率可以達到92.7% 。近年來，具有sp2—sp2鍵的納米級石墨烯顆粒組成的石墨烯量子點具有可調(diào)的電學和光學特性和豐富的邊緣缺陷，在光電轉化和光催化方面具有優(yōu)異性能。其他領域石墨烯能夠在航空航天領域得到突出應用。美國國家航空航天局開發(fā)一款石墨烯傳感器，能夠很好的檢地球高空大氣層微量元素以及航天器上的結構性缺陷。南開高校化學學院陳永生團隊與美國萊斯高校合作研制出一種新型三維石墨烯材料。這種材料能夠承受 4～1273K（約-269～1 000℃）的溫度，具有良好的穩(wěn)定性和彈性，有望成為航天設備制造領域的“太空海綿”。氧化石墨烯是一種很有潛力的儲氫襯底材料，純潔的石墨烯不利于氫氣的直接吸附。加拿大多倫多高校Yadav等人報道了具有拓撲缺陷的石墨烯的儲氫力量與本征型石墨烯比有明顯的提高。悉尼科技高校AO Zhimin等人對摻雜鋁的多孔石墨烯的儲氫力量進行爭辯，發(fā)覺石墨烯上的鋁原子能增加氫分子與石墨烯的相互作用；多孔石墨烯具有巨大的表面積，能引發(fā)電子從氫分子轉移到石墨烯使氫分子極化從而更有利于氫分子的吸附實現(xiàn)氫氣的高效儲存和快速釋放。一般電子紙接受傳統(tǒng)的一種銦錫氧化物材料，但這種材料在彎曲時簡潔產(chǎn)生裂縫。石墨烯材料具有良好的透光率，可以用作電子紙材料，適用于可穿戴電子設備。廣州奧翼電子和重慶墨?？萍己献餮邪l(fā)了一款石墨烯電子紙[34]，將來有望將這種材料應用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的顯示界面，有望成為在柔性顯示領域的一大競爭優(yōu)勢。展望石墨烯以其獨特的