【石墨烯的制備及其應(yīng)用分析綜述報(bào)告10000字（論文）】

石墨烯的制備及其應(yīng)用研究綜述報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u5666摘要 129286引言 25867第一章石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能 221284第二章石墨烯的制備 3160152.1物理方法 39542.1.1機(jī)械剝離法 399542.1.2石墨烯熱解 427232.2化學(xué)方法 5184662.2.1氧化還原法 592262.2.2化學(xué)氣相沉積（CVD） 5100072.2.3SiC外延生長(zhǎng)法 676382.3其他方法 611607第三章石墨烯的應(yīng)用 723773.1光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用 7258563.1.1石墨烯顯示器 757383.1.2柔性石墨烯晶體管 7150863.2生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 7204253.2.1石墨烯傳感器 7173983.2.2石墨烯抗癌材料 8249303.3儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用 893963.3.1石墨烯超級(jí)電容 8111823.3.2石墨烯鋰硫電池 9309433.4水處理領(lǐng)域中應(yīng)用 9112973.4.1海水淡化 9159483.4.2去除有機(jī)污染物 10201313.4.3去除重金屬離子 10105063.5石墨烯功能性涂料 1060853.5.1石墨烯抗靜電涂料 10125913.5.2石墨烯油墨 11219633.6催化領(lǐng)域的應(yīng)用 1128762第四章結(jié)束語(yǔ) 1214007參考文獻(xiàn) 13摘要石墨烯作為一種革命性的材料，是一種二維六方形式的元素碳，其前景引發(fā)了對(duì)其光學(xué)、電子、熱和力學(xué)性能的一系列研究。由于石墨烯良好的物理化學(xué)性能，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域、電子器件領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、水處理領(lǐng)域、催化領(lǐng)域等先進(jìn)的功能材料領(lǐng)域。但是獲取品質(zhì)良好的石墨烯是石墨烯應(yīng)用的前提。結(jié)合近幾年國(guó)內(nèi)外石墨烯的制備方法的研究現(xiàn)狀，綜述了機(jī)械剝離法、氧化還原法、氣相沉積法等其他制備石墨烯的方法。探究石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域的最新應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：石墨烯；制備；應(yīng)用研究引言隨著新時(shí)代的發(fā)展，我們研究出許多新型材料。在這些材料中，2004年由物理學(xué)家Geim等人發(fā)現(xiàn)并分離的石墨烯，在人類(lèi)文明中起著至關(guān)重要的作用。自2004年以來(lái)，石墨烯被認(rèn)為是科技領(lǐng)域最偉大的成就之一。石墨烯因?yàn)樵S多不同尋常的性質(zhì)，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。石墨烯是一種非常薄的膜，由于其良好的物理性能和化學(xué)性能，在半導(dǎo)體，傳感器，電子芯片，生物醫(yī)療，國(guó)防軍工、新一代顯示器等領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的技術(shù)變革。5G時(shí)代的到來(lái)，加快石墨烯電池行業(yè)的發(fā)展，目前石墨烯主要用作鋰電池負(fù)極做添加劑，提升電極材料的性能，可以有效降低內(nèi)阻，讓充電速度更快，實(shí)現(xiàn)快充，也可以延長(zhǎng)電池的壽命。在芯片領(lǐng)域，中科院在做出了重大突破，在2020年石墨烯大會(huì)上展示了8英寸石墨烯單晶晶圓這一最新成果，它的性能以及尺寸都處于世界領(lǐng)先水平。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的衍生化合物被認(rèn)為可以應(yīng)用在癌癥的治療上，用作腫瘤靶向發(fā)光示蹤，也能有效抑制部分癌細(xì)胞。石墨烯屬于輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在航空航天領(lǐng)域可用來(lái)作為隱形飛機(jī)的材料。石墨烯還可以用來(lái)做發(fā)熱、散熱材料等，這些應(yīng)用都會(huì)為人們的生活帶來(lái)較大改變。因?yàn)槭┑挠猛緩V泛，各國(guó)都在不遺余力的推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，我國(guó)也已經(jīng)把石墨烯行業(yè)作為戰(zhàn)略行業(yè)。然而，工業(yè)規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)對(duì)于這些巨大的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，很大程度上取決于石墨烯生產(chǎn)的容易程度，這在過(guò)去是一個(gè)瓶頸，幸運(yùn)的是，最近有所改善。第一章石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能石墨烯是一種由碳原子sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，具有二維原子尺度，是六角形的碳同素異形體，而且它每個(gè)頂點(diǎn)都有一個(gè)原子，其厚度非常的薄，在一個(gè)納米以下，具有超大的比表面積和良好的韌性以及透光、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能等性質(zhì)。石墨烯具有良好的導(dǎo)熱率。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)孔可以使聲子通暢，從而導(dǎo)致石墨烯具有超高的熱導(dǎo)率。由于存在帶隙很低的金屬層，它可以被視為具有特殊理論背景的半金屬。石墨烯的性能完全取決于石墨烯層的層數(shù)和缺陷。例如，原始石墨烯的理論比表面積為2630m2/g，比炭黑的表面積(850-900)m2/g高得多。由于石墨烯特殊的性質(zhì)，石墨烯作為許多現(xiàn)代技術(shù)的完美材料，包括電子應(yīng)用，以及許多其他材料作為基板或模板.石墨烯的重要特性之一是其超高的導(dǎo)電性，這對(duì)于下一代技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。石墨烯及其工程模擬物零帶隙，價(jià)帶和導(dǎo)通帶之間幾乎沒(méi)有重疊，為應(yīng)用和基礎(chǔ)研究開(kāi)辟了巨大的可能性，這主要是由于電子表現(xiàn)為無(wú)質(zhì)量相對(duì)論粒子。近年來(lái)，世界各地的許多科學(xué)家都在同一領(lǐng)域致力于下一代2D材料的開(kāi)發(fā)。研究還表明，石墨烯可以顯示出數(shù)個(gè)電荷轉(zhuǎn)運(yùn)體和長(zhǎng)達(dá)1013cm-2遷移率為1×104cm2V-1

s-1的載流子。在室溫下，它可以根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整，而且某些低溫邊界條件下這種移動(dòng)性可增2×105cm2V-1

s-1。由于石墨烯中的電荷載流子和半金屬中的載流子一樣，通常稱(chēng)為無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，所以石墨烯表現(xiàn)出半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)是唯一的，并且表現(xiàn)出電荷、厚度和電荷載流子速度之間的特殊關(guān)系。由于石墨烯的這些特性，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯片的電阻遠(yuǎn)小于銀的電阻，這對(duì)電子應(yīng)用非常有利。石墨烯具有良好的力學(xué)性能。石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)是所有材料中強(qiáng)度和硬度最高的，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到125GPa，彈性強(qiáng)度可以達(dá)到1.1TPa。石墨烯的極限強(qiáng)度為42N/m2。理想狀態(tài)下的石墨烯強(qiáng)度非常高，大約是普通鋼強(qiáng)度的100倍，平均每平方米的石墨烯片可承受的質(zhì)量為4Kg。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能。研究表明，每層石墨烯的反射率均小于0.1%，白光吸收率高達(dá)2.3%。因此，純石墨烯層具有高度的透明性和高度的靈敏性。石墨烯的吸光度與層數(shù)呈線性關(guān)系，因此，隨著石墨烯層數(shù)的增加，吸光度迅速增加。第二章石墨烯的制備由于石墨烯的快速發(fā)展，如今最主要的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化的制備結(jié)構(gòu)、厚度和尺寸可控制高質(zhì)量石墨烯。到現(xiàn)在為止，主要制備石墨烯的方法包括物理方法：機(jī)械剝離法、取向附生法。化學(xué)方法：化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD）、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法。除此之外還有些一些其他方法。2.1物理方法2.1.1機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法可能是在襯底上提取單層石墨烯薄片的最罕見(jiàn)和最杰出的工藝。這是納米技術(shù)中的一種自上向下的技術(shù)，在層狀結(jié)構(gòu)材料的表面產(chǎn)生縱向或橫向應(yīng)力。當(dāng)單原子石墨烯層在弱范德華力的作用下堆積在一起時(shí)，石墨烯薄膜就形成了。層間距離和層間鍵能分別為3.34?和2eV/nm2在機(jī)械剝落過(guò)程中，單原子層從石墨中分離需要大約300nN/μm2的外力。石墨薄片的堆積是垂直于薄片平面的部分填充的π軌道(涉及范德華力)重疊的結(jié)果。剝落與堆積相反，由于在垂直方向上鍵合較弱，晶格間距較大，而在六邊形晶格平面上鍵合較強(qiáng)。不同厚度的石墨烯薄片可以通過(guò)機(jī)械剝離石墨材料(如高度有序熱解石墨(HOPG)、單晶石墨或天然石墨)的層來(lái)獲得。這種剝落可以使用各種各樣的工具，如透明膠帶，超聲波甚至通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)等。在某些研究中，為了提高單層或少數(shù)層石墨烯薄片的成功率，也可以通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂等常規(guī)粘合劑或SAMS與基體結(jié)合。最近的一項(xiàng)研究表明，可以用金膜從圖案化的HOPG中轉(zhuǎn)移印刷宏觀石墨烯圖案。這是迄今為止生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯最便宜的方法。機(jī)械剝落法獲得的石墨烯薄片通常采用光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜和原子力顯微鏡進(jìn)行表征。對(duì)剝落的石墨烯進(jìn)行AFM分析，以評(píng)估其厚度和層數(shù)。通過(guò)機(jī)械剝落法發(fā)現(xiàn)單層片狀石墨烯純屬偶然，而且通過(guò)這種方法獲得的單層或幾層石墨烯的產(chǎn)率很低，并且片狀石墨烯會(huì)隨機(jī)擴(kuò)散到襯底上。光學(xué)顯微鏡是另一種常用的識(shí)別單層石墨烯的方法。根據(jù)厚度的不同，石墨烯薄片會(huì)在硅晶片頂部300納米厚度的熱生長(zhǎng)SiO2層上形成典型的顏色對(duì)比。拉曼光譜還對(duì)石墨烯的機(jī)械剝落進(jìn)行了研究。這是識(shí)別石墨烯薄片厚度和估算其結(jié)晶質(zhì)量的最快速、最精確的方法。這是因?yàn)槭┑睦庾V是基于層數(shù)的特征拉曼光譜。在這種微機(jī)械剝離方法中，石墨烯是用膠帶從石墨晶體中分離出來(lái)的。從石墨上剝離后，多層石墨烯仍然留在膠帶上，通過(guò)反復(fù)剝離，多層石墨烯被分割成幾片少層石墨烯薄片。隨后，所述膠帶被附到丙酮襯底上，以便分離所述磁帶。最后用未使用的磁帶進(jìn)行最后一次剝離，獲得的薄片在尺寸和厚度上有很大差異，對(duì)于基于晶圓的單層石墨烯來(lái)說(shuō)，其尺寸從納米到幾十微米不等。單層石墨烯的吸收率為2%，但由于干涉效應(yīng)，可以在光顯微鏡下SiO2/Si表面上看到它。事實(shí)上利用這種剝離方法很難獲得大量石墨烯，甚至不能穩(wěn)定制出可持續(xù)性薄片。這種方法的難度確實(shí)很低，然而石墨烯薄片需要在襯底表面找到，這是非常費(fèi)力的。通過(guò)這些機(jī)械剝離方法形成的石墨烯被用于生產(chǎn)FET器件。盡管如此，機(jī)械剝離法仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以在納米技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、無(wú)缺陷、高純度石墨烯的量產(chǎn)。2.1.2石墨烯熱解溶膠-熱解法是自底向上合成石墨烯。在這個(gè)熱反應(yīng)中，鈉和乙醇的摩爾比為1:1，在封閉容器中，石墨烯薄片可以通過(guò)超聲波加熱乙醇鈉順利分離。用SAED、TEM、拉曼光譜等手段研究石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)、不同的層數(shù)、石墨化性質(zhì)、帶結(jié)構(gòu)等，得到了尺寸可達(dá)10μm的石墨烯片。拉曼光譜顯示，石墨烯具有較寬的D波段、G波段和IG/ID~1.16的強(qiáng)度比。該工藝成本低，易于低溫制備高純度、功能化的石墨烯。但是該方法制出的石墨烯的質(zhì)量仍然不合適，因?yàn)樗写罅康娜毕荨?.2化學(xué)方法2.2.1氧化還原法氧化還原法是大量制備石墨烯的傳統(tǒng)方法之一。氧化還原法一般是根據(jù)Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法用濃硫酸、硝酸、高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑將石墨氧化而合成的。另一種氧化還原生產(chǎn)石墨烯的方法是利用超聲化還原氧化石墨烯。電化學(xué)還原是另一種大規(guī)模合成石墨烯的方法。1962年，首次建立了單層還原氧化石墨烯薄片的方法。然后，氧化石墨溶液可以被聲波處理以形成氧化石墨烯納米片。然后使用聯(lián)氨還原劑去除氧基，但發(fā)現(xiàn)還原過(guò)程不完全，留下一些氧化石墨烯之所以有用，是因?yàn)樗拿恳粚佣际怯H水的，與石墨不同。氧化石墨烯通過(guò)超聲波懸浮在水中，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂層或過(guò)濾沉積在表面，制成單層或雙層氧化石墨烯。然后，通過(guò)熱還原或化學(xué)還原氧化石墨烯制成石墨烯薄膜一種簡(jiǎn)單的一步法，即溶劑熱還原法，在有機(jī)溶劑中生成還原的氧化石墨烯分散體。2.2.2化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相沉積是分子被加熱并轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在這種CVD工藝中，石墨烯在高溫下分解擴(kuò)散，沉積在襯底表面的薄膜、晶體、固體、液體或氣體前驅(qū)體上。CVD法沉積高質(zhì)量石墨烯通常是在各種過(guò)渡金屬襯底上進(jìn)行的，如Ni、Pd、Ru、Ir和Cu。但是石墨烯的CVD生長(zhǎng)主要是在銅和鎳兩種金屬襯底上進(jìn)行的。鎳是第一個(gè)嘗試大面積石墨烯CVD生長(zhǎng)的襯底。這些嘗試從2008年開(kāi)始。1966年鎳于甲烷T(mén)=900°C形成薄石墨，用作電子顯微鏡的樣品支撐物。1971年，他們觀察到石墨棒中C的蒸發(fā)形成了石墨烯薄片。在1975年首次報(bào)道了用熱CVD法在Pt上沉積單層石墨材料。后來(lái)，Eizenberg和Blakely報(bào)道了Ni上石墨薄片的形成。1984年，研究人員進(jìn)行了可能是首次在金屬表面上生長(zhǎng)CVD石墨烯的紅外實(shí)驗(yàn)，以研究在存在碳的情況下紅外的催化和熱離子特性。對(duì)石墨烯的物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了精確的分析，開(kāi)辟了石墨烯電子學(xué)的新領(lǐng)域。2006年，首次嘗試用化學(xué)氣相沉積法在鎳箔上合成石墨烯，使用樟腦(甾類(lèi)化合物，化學(xué)式為C10H16O的白色透明固體)作為前驅(qū)體材料。2.2.3SiC外延生長(zhǎng)法單晶碳化硅(SiC)表面的外延熱生長(zhǎng)是最受歡迎的石墨烯合成方法之一。當(dāng)在單晶襯底上沉積單晶薄膜產(chǎn)生外延薄膜時(shí)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為外延生長(zhǎng)。它在單晶SiC襯底上制造高晶石墨烯。根據(jù)襯底的不同，一般有兩種外延生長(zhǎng)工藝:同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。當(dāng)沉積在襯底上的薄膜是同一材料時(shí)，稱(chēng)為同質(zhì)外延層，如果薄膜和襯底是不同的材料，則稱(chēng)為異質(zhì)外延。碳化硅最早用于圖案化外延石墨烯的電學(xué)測(cè)量。2004年研究發(fā)現(xiàn)SiC是一種寬帶隙半導(dǎo)體，因此可以使用它作為襯底進(jìn)行電氣測(cè)量。1975年，Bommel等人首次發(fā)現(xiàn)了6H–SiC表面的石墨烯的形成，在超高真空（-10~10mbar）及超高溫1000–1500°C下對(duì)兩個(gè)SiC表面進(jìn)行熱處理，從而制備出石墨烯。2004年，deHeer的小組研究出了在單晶6H-SiC的S表面上制備由1-3個(gè)單原子石墨烯層組成的超薄石墨烯，并研究了其電子性質(zhì)。石墨烯在碳化硅表面上的生長(zhǎng)速率取決于碳化硅晶體的特定極性表面。石墨烯在C面上的形成速度比在Si面上快得多，在C面上，產(chǎn)生了更大的多層旋轉(zhuǎn)無(wú)序石墨烯疇，約（100~200nm），而在硅表面，超高壓退火產(chǎn)生了小疇，約30–100nm。Si（0001）和C（0001）在超高真空（UHV）及超高溫T（>1000°C）下退火，由于Si的蒸發(fā)而石墨化。在SiC上外延生長(zhǎng)石墨烯被認(rèn)為是一種非常有前途的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化石墨烯的方法。SiC上的石墨烯可產(chǎn)生高頻電子器件、發(fā)光器件和輻射硬器件。在晶圓尺度上，利用石墨烯在SiC上制備了頂級(jí)門(mén)控晶體管。高頻晶體管被發(fā)現(xiàn)具有100GHz頻率，高于同等柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)Si晶體管?；诹孔踊魻栃?yīng)(QHE)，SiC上的石墨烯已被確立為一種新的電阻標(biāo)準(zhǔn)。2.3其他方法還有其他幾種方法可以制備石墨烯，如PMMA納米纖維的電子束輻照、石墨的電弧放電、多環(huán)芳烴的熱熔合和納米金剛石的轉(zhuǎn)化。石墨烯可以在氫氣氣氛下通過(guò)電弧放電法合成，具有兩到三層，薄片尺寸為100–200nm。通過(guò)快速加熱過(guò)程，空氣中的電弧放電產(chǎn)生了約100–200nm寬的石墨烯納米片，主要有兩層。高電流(100A以上)、高電壓(50V)、高氫氣壓力(200Torr以上)是獲得石墨烯的有利條件。石墨烯層的厚度很大程度上取決于初始?xì)鈮?。采用He和NH3氣氛作為電弧放電方法。在He中考慮了氣體的壓力和電流，得到了不同數(shù)量的石墨烯片。在分子束沉積技術(shù)中，采用乙烯氣源沉積在鎳襯底上，大面積、高質(zhì)量的石墨烯層的產(chǎn)生依賴(lài)于冷卻速率。第三章石墨烯的應(yīng)用3.1光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用3.1.1石墨烯顯示器石墨烯是一種適用于EED（電子發(fā)射顯示器）的材料，因?yàn)樗哂懈叩拈L(zhǎng)寬比，并且在薄板顯示器的兩端有懸空鍵，這是一種熟練的電子隧道技術(shù)。值得注意的是，石墨烯界面可產(chǎn)生無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。當(dāng)它受到電場(chǎng)作用時(shí)，場(chǎng)流釋放電子，同時(shí)避免所有的反向耗散，因?yàn)樗囊莩鏊俣炔灰蕾?lài)于它的能量。石墨烯可以在0.1vμm?2的電壓下打開(kāi)電場(chǎng)，電場(chǎng)改善系數(shù)高達(dá)3700。石墨烯顯示器目前在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用。George等人研究了模型觸摸面板顯示器的力學(xué)行為，該顯示器由兩層CVD生長(zhǎng)的純石墨烯組成，在拉伸和接觸應(yīng)力動(dòng)態(tài)加載下嵌入PET薄膜。他們研究了基于石墨烯的原型面板顯示器在手機(jī)中實(shí)時(shí)應(yīng)用的幾種特性。根據(jù)這項(xiàng)研究，石墨烯可能是下一代柔性觸摸面板顯示器的理想選擇。3.1.2柔性石墨烯晶體管石墨烯基晶體管是一種單電子納米器件，它一次只允許穿過(guò)一個(gè)電子。這種晶體管自問(wèn)世以來(lái)就引起了人們的極大關(guān)注，現(xiàn)在許多晶體管已進(jìn)入市場(chǎng)，用于日常應(yīng)用。石墨烯基晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們可以在室溫下進(jìn)行工作,也可以在低電壓條件下工作，而且具有較高的靈敏度。這些特點(diǎn)使得石墨烯基晶體管比硅基晶體管更加有優(yōu)勢(shì),也促進(jìn)了微芯片技術(shù)的進(jìn)步。此外,由于石墨烯的固有特性,這種半導(dǎo)體晶體管也是非常靈活且完全可以折疊。然而，由于帶隙問(wèn)題，原始石墨烯不能作為硅的替代品。石墨烯中的電子表現(xiàn)得像聲子，這與它們的運(yùn)動(dòng)能力相反。3.2生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用3.2.1石墨烯傳感器傳感器是一種能夠準(zhǔn)確地感知周?chē)h(huán)境中可能發(fā)生的各種動(dòng)作(例如熱、運(yùn)動(dòng)、光、壓力、濕度等),并通常都是以光學(xué)、機(jī)械或者電信號(hào)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行反饋的檢測(cè)裝置。國(guó)內(nèi)的水銀溫度計(jì)就是一個(gè)日常使用的傳感器的例子。因?yàn)槭┚哂休^大的比表面積、優(yōu)良的的光學(xué)特性、超高的導(dǎo)電性、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，所以石墨烯和傳感器相組合非常合適。石墨烯的巨大的比表面積能夠增強(qiáng)不同需要的生物分子在其表面上的負(fù)載。它優(yōu)良的導(dǎo)電能力和較小的帶隙可以促進(jìn)生物分子和電極在表面間的電子相互傳導(dǎo)。由于石墨烯片中顆粒的二維、平面和相容性沉降，一個(gè)完美的傳感器可以區(qū)分其包覆狀況的微小變化。需要注意的是，片內(nèi)的每個(gè)顆粒都呈現(xiàn)出包覆性的狀況。這使得石墨烯能夠在微米級(jí)的測(cè)量中充分識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化，使其高度的可感知性。石墨烯同樣可以在原子水平上區(qū)分奇異的擾動(dòng)。這些優(yōu)良的石墨烯特性非常有利于傳感器的應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，石墨烯可以用作不同領(lǐng)域的傳感器的一部分，例如：生物傳感器，診斷儀，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，DNA傳感器和氣體傳感器等。3.2.2石墨烯抗癌材料一種基于石墨烯的納米載體多功能材料，在癌癥治療中的應(yīng)用，如石墨烯的表面可以使用共價(jià)或非共價(jià)鍵的抗癌藥物進(jìn)行功能化。石墨烯的疏水性表面為兩親功能團(tuán)的附著提供了一個(gè)合適的平臺(tái)，并有利于癌癥的細(xì)胞靶向治療。各種抗癌藥物，如多柔比星、喜樹(shù)堿、露卡素、紫杉醇等都被功能化在石墨烯納米材料（GBNMs）上。最早的研究之一是用喜樹(shù)堿對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化，結(jié)果表明喜樹(shù)堿在結(jié)腸癌中的抗癌活性增加了三倍。該配方確實(shí)具有化學(xué)治療的性質(zhì)，但顯示出缺乏藥物的裝載效率。另一項(xiàng)研究將透明質(zhì)酸作為氧化石墨烯的涂層材料，由此產(chǎn)生的復(fù)合物可介導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞的光熱消融。透明質(zhì)酸涂層增加了細(xì)胞相容性、穩(wěn)定性和對(duì)乳腺癌細(xì)胞的選擇性。這種復(fù)合物使乳腺癌細(xì)胞的存活率降低了80%，因此，這種涂層納米載體成為一種有前途的乳腺癌療法3.3儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用3.3.1石墨烯超級(jí)電容超級(jí)儲(chǔ)能電容器電池是一種介于傳統(tǒng)儲(chǔ)能電容器與二次儲(chǔ)能電池之間的新型電化學(xué)材料儲(chǔ)能充電裝置,它本身具有充電功率密度高、充電快、散熱效果好、高循環(huán)壽命、無(wú)化學(xué)污染、免養(yǎng)護(hù)維修等諸多優(yōu)點(diǎn),在各種各樣需要促進(jìn)能量快速轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)能技術(shù)和新領(lǐng)域應(yīng)用中都具有很多的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而超級(jí)儲(chǔ)能電容器目前受到了對(duì)于電極材質(zhì)的限制,其中的能量分子密度通常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20wh/kg。石墨烯本身就具有超大的比表面積(2600m2/g),應(yīng)用于超級(jí)電容器的多種電極合成能大幅提高它的儲(chǔ)能離子密度,其中它的儲(chǔ)能離子密度已經(jīng)接近于普通鉛酸離子電池,它也是超級(jí)離子電容器的一種理想電極合成材料。石墨烯超級(jí)高速電容技術(shù)生產(chǎn)而出制成的電動(dòng)汽車(chē),一次高速充電僅僅只需8分鐘,即可提供額定電力的小型新能源電動(dòng)汽車(chē)行駛1000千米。石墨烯超級(jí)電容器的能量分子密度已經(jīng)超過(guò)600wh/kg,是目前最先進(jìn)的動(dòng)力復(fù)合鋰電池5倍,電池的內(nèi)部重量?jī)H為目前鋰離子復(fù)合電池全部重量的一半,使用壽命至少可能是目前的動(dòng)力鋰電池2倍,是目前市場(chǎng)傳統(tǒng)的氫化物電池4倍,成本將至少會(huì)比目前的鋰電池成本下降77%。3.3.2石墨烯鋰硫電池自1940年以來(lái)就制造了包括鋰硫電池在內(nèi)的各種電池。鋰硫電池和其他電池相比的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，壽命很短。通常，在鋰硫電池中，硫作為陰極，鋰作為陽(yáng)極。在鋰硫電池的放電過(guò)程中，鋰在陽(yáng)極被氧化并轉(zhuǎn)化為鋰離子，在陰極，硫被還原并轉(zhuǎn)化為硫離子。然后，鋰離子向陰極移動(dòng)，與被還原的硫反應(yīng)，形成Li2S。為了解決所有這些問(wèn)題，可以在不同的電池框架中將石墨烯固結(jié)到陽(yáng)極和陰極中，從而提高電池的效能，提高充放電循環(huán)速度。石墨烯的超高導(dǎo)電性、高深寬比和分散性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)陰極，同時(shí)減輕了它們的限制。由于石墨烯具有良好的適應(yīng)性，已廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、鋰硫電池、超級(jí)電容器和能源元件中。鋰硫電池的能量高達(dá)500Wh/kg，甚至更高，以便實(shí)時(shí)使用。3.4水處理領(lǐng)域中應(yīng)用3.4.1海水淡化在近些年來(lái)的水處理技術(shù)發(fā)展中，石墨烯的納米材料被越來(lái)越多的人證明憑借其良好的物理化學(xué)性能，比如良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔隙可控性和良好電流遷移率，被用來(lái)在海水中選擇性金屬離子分離，而達(dá)到脫鹽的效果。Cohen-Tanugi等采用動(dòng)力學(xué)經(jīng)典理論，闡述了由于石墨烯的羥基具有良好的親水性，能夠大大提高水的通過(guò)性，說(shuō)明石墨烯薄膜比傳統(tǒng)海水淡化反滲透膜的透水性要高得多。雖然這種石墨烯材料具有良好的過(guò)濾篩分能力，但是它卻難以被大面積的制備，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。最近，袁荃教授和段鑲鋒教授發(fā)明了一種大面積制備石墨烯-納米網(wǎng)/單壁碳納米（GNM/SWNT）復(fù)合膜的方法，有望實(shí)現(xiàn)石墨烯濾膜的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。這種高機(jī)械強(qiáng)度的GNM/SWNT復(fù)合膜可以防止撕裂和溶質(zhì)泄漏，面積可達(dá)厘米級(jí)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該材料可以從鹽水中剔除85％至97％的鹽。3.4.2去除有機(jī)污染物有機(jī)污染物的去除可以主要通過(guò)石墨烯和氧化石墨烯和有機(jī)污染物的交互作用去除，比如電子對(duì)的堆疊、分子間引力和疏水能力及等作用。對(duì)有機(jī)污染物吸附過(guò)程影響的主要條件是：污染物的特性、吸附劑表面特征、水中的環(huán)境條件和體系PH值。石墨烯在去除有機(jī)污染物方面的研究主要集中在有機(jī)染料、化學(xué)藥物以及難降解有機(jī)污染物。Tang等人[48]通過(guò)水熱法合成了一種富含氧官能團(tuán)的丹寧酸修飾的石墨烯水凝膠，這種水凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)有著超高的吸附能力，其吸附量最大可達(dá)到714mg/g。Li等人采用多孔石墨烯氧化物(MPrGO)磁還原法來(lái)吸附廢水和純水中的三氯烷。除了用于吸附劑的富集,石墨烯吸附復(fù)合物可以通過(guò)利用光催化、電化學(xué)催化等多種途徑,用于水中污染物的吸附去除。光催化的載體工作產(chǎn)生機(jī)理主要指的是指當(dāng)石墨烯在其中吸收的大量光子的動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其原子帶隙的動(dòng)能時(shí),碳原子就受到光子激發(fā)而催化產(chǎn)生一種釋放電荷大的載體,即電子e-和空穴h+。所產(chǎn)生的放射性電荷載體就會(huì)遷移到污染物的表面,與其在污染物中所吸附的放射性物質(zhì)會(huì)自動(dòng)發(fā)生一種氧化和還原的反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致污染物被降解。由于石墨烯優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì),近年來(lái)在污染物電催化方面展現(xiàn)出不俗的成績(jī)。3.4.3去除重金屬離子由于多孔石墨烯和石墨烯的復(fù)合材料具有較高的比表面積，密密麻麻的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和大量的表面官能團(tuán)，使其對(duì)水中的重金屬理子有著非常良好的吸附性能。在最近這幾年有很多人研究了石墨烯和石墨烯復(fù)合材料對(duì)重金屬離子吸附去除的研究，主要吸附去除的重金屬污染物中所含的汞、鉛、鉻、鎘、鋅、銅、鎳等。石墨烯材料去除重金屬污染物的機(jī)理主要是離子交換，靜電相互作用，表面絡(luò)合等，而且這幾種作用并不是單獨(dú)產(chǎn)生，往往是相伴產(chǎn)生。近期崔屹課題組研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯所覆蓋的碳電極在電沉積的作用下對(duì)重金屬離子有著超高的吸附能力，平均每克氧化石墨烯可以吸附29g的重金屬理子。由于石墨烯覆蓋的碳電極表面有著大量的官能團(tuán)，使其對(duì)水中的多種重金屬的回收率高達(dá)99.9%。3.5石墨烯功能性涂料3.5.1石墨烯抗靜電涂料抗靜電防腐涂料被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、電子、機(jī)械、航空和化工等工業(yè)領(lǐng)域,隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)其產(chǎn)品抗靜電性能要求也愈來(lái)越嚴(yán)格。石墨烯材料具有的高強(qiáng)度導(dǎo)電、強(qiáng)力學(xué)等重要特性,這些優(yōu)良的特性都有利于開(kāi)發(fā)出一種具有高性能、高強(qiáng)度的新型防靜電涂料。將十六氟苯胺接枝石墨烯的薄膜表面以便于提高其與環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)相容性,然后以共用或混合的一種形式將二者均勻地進(jìn)行混合,改變混合物體系中石墨烯的實(shí)際使用量,可以得到一種具有不同的表面電阻效率的新型防靜電改性涂料,當(dāng)新型防靜電改性涂料中的石墨烯添加劑的實(shí)際量為0.5%時(shí),防靜電改性涂料薄膜的表面電阻效率就可能會(huì)直接下降至109ω/sq,達(dá)到防靜電改性涂料在材料的行業(yè)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。3.5.2石墨烯油墨石墨烯已被進(jìn)一步用于生產(chǎn)電子、耐熱和防腐蝕用途的功能性油墨。通過(guò)將石墨烯摻入油墨配方中，與石墨烯相關(guān)油墨的導(dǎo)電性能會(huì)影響，使其變得導(dǎo)電且可加工。與其他導(dǎo)電油墨（甚至是一些新開(kāi)發(fā)的納米油墨）相比，石墨烯油墨無(wú)毒，環(huán)保，便宜且可回收利用。此外，石墨烯還具有很高的熱穩(wěn)定性，是生產(chǎn)大量熱量的電子應(yīng)用中耐熱油墨涂層的理想材料。由于石墨烯在制造過(guò)程中不會(huì)分解，所以在需要較高的加工溫度時(shí)，它也是一種較好的選擇。石墨烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和極高的惰性。這些額外的優(yōu)點(diǎn)使石墨烯成為功能性油墨應(yīng)用的理想選擇。因此，對(duì)于環(huán)境因素至關(guān)重要的應(yīng)用場(chǎng)合，石墨烯油墨可以提供一種穩(wěn)定的屏障，以保護(hù)材料免受化學(xué)物質(zhì)和腐蝕的影響。3.6催化領(lǐng)域的應(yīng)用催化是工業(yè)革命和研究發(fā)展的重要基礎(chǔ)研究課題。由于石墨烯具有豐富的表面性質(zhì)、片狀形態(tài)、高表面積和高電子遷移率，石墨烯及其衍生物被證明是非常有效的催化材料。傳統(tǒng)上，許多催化反應(yīng)使用貴金屬作為機(jī)械載體和慢化劑來(lái)提高反應(yīng)速率和生產(chǎn)率。同樣地，石墨烯作為一種化學(xué)惰性物質(zhì)，因?yàn)樵谄渥罴兊男问街?，沒(méi)有自由鍵。但是，官能團(tuán)的添加改變了石墨烯的特性，使其適合作為催化載體。此外，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯平面且均勻的表面會(huì)增強(qiáng)襯底與催化劑之間的界面相互作用。由于石墨烯的二維表面形貌，金屬催化劑可以在石墨烯的表面準(zhǔn)確地定位，從而獲得最佳的性能。同樣，石墨烯高效的機(jī)械背景和非凡的電荷承載能力，通過(guò)最大限度的催化劑-底物參與，有助于反應(yīng)過(guò)程中的電荷交換。此外，石墨烯處于休眠狀態(tài)，不參與催化循環(huán)，因此可以用作催化劑的理想載體。同樣，石墨烯使催化劑顆粒分散，因此催化劑底物的碰撞率變?yōu)樽畲?，這再次有助于實(shí)現(xiàn)該催化劑的最佳性能。總體而言，石墨烯最適合用作催化載體，特別是在新興的非共價(jià)鍵合載體技