摘要：石墨烯從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了十年的時間。從當初的概念材料變成現(xiàn)實中真正的材料，石墨烯已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，尤其是化學領(lǐng)域，對石墨烯的關(guān)注一直居高不下，對石墨烯的應用前景有非常大的信心。

關(guān)鍵詞：石墨烯 制備 功能化 化學應用

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直到2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖格夫成功地在實驗中分離出石墨烯，從而證實它可以單獨存在。

石墨烯是已知的世界上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，是一種透明、良好的導體，因此應用領(lǐng)域非常廣泛，兼具良好的軍事和民用用途。時至今日，石墨烯材料的制備已經(jīng)更加的多元化和功能化，制備模式也更加豐富，對于促進當代化學領(lǐng)域的發(fā)展有著重要意義。

一、石墨烯的制備

1.微機剝離法

微機剝離法是石墨烯最早的發(fā)現(xiàn)和制備方法，該方法的操作原理是利用癢等離子束在高取向熱解石墨材料表面進行槽面的刻蝕處理，具體刻蝕的尺寸標準為20.0nm～2.0nm（寬度），5.0nm（深度）。將講過處理后的高取向熱解石墨壓制在SiO2/Si基底基礎(chǔ)之上，通過熔燒的方式，對多余的石墨片進行反復的剝離。經(jīng)過以上處理以后，將石墨薄片完全浸潤在丙酮溶液中，通過超聲清洗的方式，依賴于顯微鏡挑選鏡下檢出單原子層特點的石墨烯材料。微機剝離法剝離制備的石墨烯結(jié)構(gòu)完整，具有高電導性，但制備過程繁瑣，生產(chǎn)效率較低，并不適用于大規(guī)模石墨烯材料的生產(chǎn)。

2.外延生長法

外延生長法是利用生長基質(zhì)的結(jié)構(gòu)種出石墨烯。通過將含有4H/6H-SiC的Ir或者Ru等單晶在超高真空環(huán)境下高溫退火處理，使碳元素向晶體表面偏析，形成外延單層石墨烯薄膜。通過優(yōu)化生長條件獲得理想的毫米級外延石墨烯二維單晶材料。這種高質(zhì)量石墨烯的獲得，為石墨烯基礎(chǔ)問題的深入研究及其進一步在器件方面的應用提供了一種新的方法和理想體系。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片大小受限于基底的尺寸，成本高，實驗消耗大，往往石墨烯厚度不均，而且石墨烯和基質(zhì)之間的粘合會嚴重影響碳層的特性。

3.氧化還原法

氧化石墨烯的還原制備方法，是目前應用最廣泛的可大量制備石墨烯的方法之一。在氧化石墨烯的制備過程中，盡管氧原子的引入，破壞了石墨層的共軛結(jié)構(gòu)，使剝離生成的氧化石墨烯失去了導電性，但通過還原的方法，可以對氧化石墨烯平面的共軛結(jié)構(gòu)進行脫氧修復，這樣就可以得到還原態(tài)的石墨烯，其導電性顯著增加。已經(jīng)知道的還原氧化石墨烯的方法主要有水合脛還原法、純脛還原法、維生素C還原法、強堿超聲還原法、紫外光化學換研法、電化學還原法、高溫還原法、水熱脫水還原法等。通過對氧化石墨烯進行還原來制備石墨烯的方法具有諸多優(yōu)勢，石墨原材料豐富，制備工藝設(shè)備相對簡單，可以實現(xiàn)大規(guī)模石墨烯的制備。

二、石墨烯的功能化

1.石墨烯的共價鍵功能化

石墨烯的共價鍵功能是當前研究最廣泛的功能化方法，盡管石墨烯的主體部分由穩(wěn)定的六元環(huán)構(gòu)成，但其邊沿以及缺陷部位具有較高的反映活性，可以通過化學氧化的方法制備石墨烯氧化物。由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性集團，可以利用多種化學反應對石墨烯進行共價鍵功能化。其方法包括石墨烯的有機小分子功能化、石墨烯的聚合物功能化等。

2.石墨烯的非共價鍵功能化

除了共價鍵功能化外，還可以利用離子鍵以及氫鍵等非共價鍵作用，使裝飾分子對石墨烯進行表面功能化，形成穩(wěn)定的分散體系。非共價鍵功能化技術(shù)的主要特點是通過應用聚合物包裹技術(shù)或者是物理吸附技術(shù)的方式，在不對石墨烯材料自身分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的前提下，實現(xiàn)功能化處理。有關(guān)研究中表示，可以在經(jīng)過氧化處理的石墨烯材料表面應用聚苯乙烯磺酸鈉進行修飾處理，通過化學還原的方式，實現(xiàn)對石墨烯材料的功能化處理。經(jīng)過處理后的石墨烯材料與聚泵乙烯磺酸鈉之間的非共價鍵作用相對明確，避免了石墨烯片的規(guī)模性聚積反應，從而達到了鞏固石墨烯材料應用性能的重要目的。

三、石墨烯在化學中的應用

1.石墨烯在鋰離子電池中的運用

對鋰離子電池負極材料的研究，一直都集中在碳質(zhì)材料、合金材料和符合材料等方面。碳質(zhì)材料是最早為人們所研究并應用與鋰離子電池商品化的材料，石墨烯作為一種由石墨出發(fā)制備的新型碳質(zhì)材料，單層或者薄層石墨在鋰離子電池里的應用潛力也受到人們的高度關(guān)注，石墨烯應用與鋰離子二次電池負極材料中的性能，其比容量可以達到540mAh/g。如果在其中摻入C60和碳納米管后，負極的比容量可以達到784mAh/g和730mAh/g。

2.石墨烯在化學、生物傳感器中的應用

石墨烯是碳原子精密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新型材料，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本單元，具有良好的結(jié)晶性和機械強度，非常高的電子轉(zhuǎn)移速率和電導率，便于銹蝕，非常高的比表面積，對分子有很強的吸附能力，良好的生物兼容性，對生物分子的選擇性吸附，對于常見的熒光物質(zhì)具有高效的淬滅作用，目前在化學、生物傳感、活細胞成像和生物分子分離方面，已經(jīng)展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢。

3.石墨烯在儲氫/甲烷材料中的應用

石墨烯與碳納米管結(jié)合，可以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于儲氫，通過計算方法得知在摻雜羥離子的情況下，其常壓儲氫能力可以達到41h/L。利用剝離氧化石墨并進行納米轉(zhuǎn)換得到的材料在一個大氣壓下，77K可以吸附1.7%的氣體，氫氣吸附量歲表面的改變而呈線性變化，在100個大氣壓，298K條件下吸附量可以達到甚至超過3%，表明單層石墨烯具有更大的儲氫量。

四、結(jié)語

作為當前世界上發(fā)現(xiàn)的最堅硬、最薄的碳質(zhì)材料，石墨烯的應用領(lǐng)域極為廣泛。關(guān)于石墨烯應用的研究層出不窮，石墨烯的發(fā)現(xiàn)必然將改變現(xiàn)在人類的日常生活方式，在人們的生活中大放異彩。然而，石墨烯如果想實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，還有一段很長的路要走，需要繼續(xù)對石墨烯的制備和應用進行更加努力、更加深入的研究。

參考文獻：

[1]胡耀娟，金娟，張卉，吳萍，蔡稱心.石墨烯的制備、功能化以及在化學中的應用[J].物理化學學報，2010，26（8）：2073-2086.

[2]曹艷艷.石墨烯的制備、功能化以及在化學中的應用[J].河南科技，2014，（6）：71.

[3]楊永崗，陳成猛，溫月芳，楊全紅，王茂章.氧化石墨烯及其與聚合物的復合[J].新型碳材料，2008，（3）：193-199.