霍川

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

1 引言

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(gè)碳原子厚度的二維材料。

2 石墨烯的制備方法

目前，制備石墨烯的方法主要包含機(jī)械剝離法，化學(xué)剝離法、化學(xué)氣相沉積法、電弧放電法、氧化還原法等多種方法。

2.1 微機(jī)械剝離法。Novoselov等人利用膠帶剝離高定向熱解石墨將石墨烯片粘附在膠帶上，經(jīng)過(guò)一系列的操作，首次成功制備得到石墨烯薄片。微機(jī)械剝離法簡(jiǎn)單迅速，制備出的石墨烯品質(zhì)較高，并且能保持較完整的石墨烯晶體結(jié)構(gòu)，制備過(guò)程中石墨烯產(chǎn)生的缺陷少，但是該方法石墨烯產(chǎn)量偏低，制備的石墨烯的顆粒大小不均勻，只適用于石墨烯相關(guān)試驗(yàn)研究。

2.2 石墨插層法。石墨插層法是以天然鱗片石墨為原料，用堿金屬元素為插層劑，通過(guò)插層劑與石墨混合反應(yīng)得到石墨層間化合物。此方法操作條件要求較高，可控性較差，制備出的石墨片厚度最小只能達(dá)到幾十納米，浪費(fèi)大量能量的同時(shí)，會(huì)使部分石墨氧化，導(dǎo)致制備的石墨缺陷較多，石墨烯原有性能會(huì)受到極大的影響。

2.3 電弧放電法。電弧法是利用石墨電極在一定環(huán)境下放電，通過(guò)產(chǎn)生陰極沉積物而得到石墨烯的方法。制備的石墨烯為納米級(jí)別材料，制備的石墨烯尺寸已經(jīng)接近電子的長(zhǎng)度，石墨的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得石墨烯得以分離[2]。電弧放電法制得的石墨烯缺陷較少，石墨烯晶型結(jié)構(gòu)較完整，但是制備環(huán)境比較嚴(yán)格，需要耗費(fèi)大量的電能，很難進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化制備。

2.4 化學(xué)氣相沉積法?；瘜W(xué)氣相沉積法制備石墨烯是通過(guò)碳源(CXHY前驅(qū)體)在溫度超過(guò)1000℃氣化分解后，沉積在金屬或者拋光薄膜等基底表面，然后經(jīng)過(guò)剝離而的到石墨烯的方法。該方法制備的石墨烯尺寸大，層數(shù)易控，石墨烯完整度較高，是替代微機(jī)械剝離法制備石墨烯的有效方法之一，但是該方法制備工藝復(fù)雜，成本較高。

2.5 氧化石墨烯還原法。氧化石墨烯還原法，是首先制備出親水性的氧化石墨烯，再通過(guò)強(qiáng)還原劑如水合肼、硼氫化鈉、抗壞血酸等來(lái)還原氧化石墨烯表面的官能團(tuán)，從而制備出高品質(zhì)的氧化石墨烯。該方法操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件較溫和，成本較低，被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制備石墨烯的最有效的方法，制得的石墨烯具有較大的尺寸結(jié)構(gòu)，晶型結(jié)構(gòu)較完整，石墨烯各性能良好，制備的石墨烯可應(yīng)用于光伏電池、電化學(xué)傳感器、高性能組件和納米醫(yī)學(xué)等眾多方面[5]。

3 應(yīng)用前景

3.1 半導(dǎo)體材料。石墨烯可以用來(lái)制作晶體管，由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性，這種晶體管在接近單個(gè)原子的尺度上依然能穩(wěn)定地工作。石墨烯同樣適用于高頻電路，高頻電路廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子工業(yè)，由于需要大量的的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，而硅的傳導(dǎo)頻率有限，使傳導(dǎo)效率收到了極大的限制，石墨烯的出現(xiàn)，高頻提升的發(fā)展前景也變得更加廣闊了。

3.2 基因電子測(cè)序。單層的石墨烯的厚度遠(yuǎn)小于生物DNA鏈中的相鄰之間的距離，而DNA四種堿基之間又存在某種電子指紋，可以利用石墨烯來(lái)實(shí)現(xiàn)生物基因的電子測(cè)序。

3.3 航空航天材料。石墨烯以其導(dǎo)電性強(qiáng)、硬度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)得以在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用。2014年，美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好監(jiān)測(cè)大氣層的微量元素。石墨烯硬度高而質(zhì)量輕的特點(diǎn)也可硬同于制造超輕型飛機(jī)材料。

3.4 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。研究表明，石墨烯已被用來(lái)加速人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，也被用來(lái)制造碳化硅上外延石墨烯的生物傳感器。此外，石墨烯氧化物對(duì)于抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)十分有效，而且不會(huì)對(duì)人體健康造成危害。

4 結(jié)論與展望

氧化石墨烯還原法已廣泛應(yīng)用于石墨烯的制備中，但仍需繼續(xù)尋求更加完善的石墨烯制備方法，使其得到更好的應(yīng)用。石墨烯雖然從合成到今天只有短短十幾年的時(shí)間，但已成為科研人員研究的熱點(diǎn)。隨著石墨烯的制備方法不斷被開(kāi)發(fā)，石墨烯必將被更廣泛的應(yīng)用到各領(lǐng)域中。