李彩琴，喬 俊，劉荔貞，趙建國(guó)

（山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同 037009）

石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢晶格的一種二維晶體，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最強(qiáng)的一種新型材料，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能也超強(qiáng)，被認(rèn)為是“改變未來(lái)世界的神奇新材料”[1]。石墨烯獨(dú)特的物理性質(zhì)，使其成為一種高度通用的材料。比如：在能源和環(huán)境中起到修復(fù)作用；在農(nóng)業(yè)和施肥方面起到促進(jìn)作用；在電極和催化過(guò)程能夠提高效率。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物形式，有極大的比表面積，光學(xué)性能和機(jī)械穩(wěn)定性都比較好，是具有層狀結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料。GO 中含有豐富的官能團(tuán)，其大的比表面積和豐富的官能團(tuán)優(yōu)異性質(zhì)在吸附、催化、傳感等眾多領(lǐng)域有著突出應(yīng)用，在植株生長(zhǎng)中可以有效提高培苗根系形態(tài)，在電極材料、傳感器的研究與應(yīng)用方面掀起了一股研究熱潮。

1 石墨烯及其氧化物在作物培苗方面的應(yīng)用

1.1 石墨烯對(duì)作物幼苗根系形態(tài)及生物量的影響

郭緒虎[2-3]等將已消毒的藜麥種子播種在含有不同質(zhì)量濃度石墨烯的MS 培養(yǎng)基中培養(yǎng)14 d，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度為4.8 mg/L 的石墨烯對(duì)于生長(zhǎng)著的藜麥幼苗根系形態(tài)和生物量的增加具有一定程度的提高。在石墨烯質(zhì)量濃度為8 mg/L 的MS 培養(yǎng)基培育的藜麥幼苗生長(zhǎng)狀況明顯優(yōu)于對(duì)照組。當(dāng)質(zhì)量濃度為4.8 mg/L 時(shí)，石墨烯MS 培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的藜麥幼苗根尖生長(zhǎng)更好，分叉也變多。另外，經(jīng)不同質(zhì)量濃度石墨烯處理后的藜麥幼苗除20 mg/L 的石墨烯外，其余處理藜麥幼苗干物質(zhì)總量積累均顯著大于對(duì)照組，8 mg/L的石墨烯質(zhì)量濃度對(duì)藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的加速作用，大約為對(duì)照組幼苗干物質(zhì)質(zhì)量的1.6 倍。這表明，一定濃度的石墨烯有利于藜麥幼苗的干物質(zhì)積累。

金彩霞[4]等人對(duì)抗生素磺胺嘧啶(SD)和石墨烯以及它們的復(fù)合材料進(jìn)行了小麥生根發(fā)芽的毒理測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明只有加入石墨烯的小麥生長(zhǎng)更快，而在石墨烯-SD 混合時(shí)，SD 起主導(dǎo)作用，石墨烯反而加大了SD對(duì)小麥種子的侵害，不利于小麥的生長(zhǎng)。

劉尚杰[5]等通過(guò)研究石墨烯對(duì)水稻發(fā)芽、根系形態(tài)、幼苗生長(zhǎng)量等方面的影響，發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)水稻種子的萌發(fā)有一定的延緩作用，而在石墨烯濃度較低的情況下，石墨烯對(duì)水稻幼苗形態(tài)建成有著某些促進(jìn)作用。

雖然在眾多的試驗(yàn)研究中，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯在多數(shù)作物幼苗的生長(zhǎng)中起到的是促進(jìn)萌發(fā)的作用，但我們無(wú)法通過(guò)對(duì)一種作物的研究來(lái)斷定石墨烯對(duì)所有草生植物幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)，這依然需要我們對(duì)其他作物幼苗的生理機(jī)制進(jìn)行探究。我們可以總結(jié)為，石墨烯的濃度或使用量對(duì)于作物幼苗的生長(zhǎng)過(guò)程起著或大或小的影響。

1.2 氧化石墨烯對(duì)植株培苗生長(zhǎng)的影響

薛斌龍[6]等以樹莓組培苗為實(shí)驗(yàn)原料，將鹽脅迫下的樹莓生根培養(yǎng)基進(jìn)行不同處理后于相同培養(yǎng)條件下測(cè)定了氧化石墨烯對(duì)鹽脅迫下的樹莓組培養(yǎng)基生根效果、抗氧化酶活性及其導(dǎo)電率的改變情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫再加適量濃度GO 處理后的樹莓組培苗生根狀況更佳，植株葉量明顯增加，進(jìn)一步證明GO可緩解鹽脅迫對(duì)植株造成的損傷，讓幼苗根系在最佳生長(zhǎng)環(huán)境中成熟。此外，在加入不同濃度GO 處理的鹽脅迫樹莓幼苗中，根系含有的3種抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)]的活性均降低，在莖段中的POD 和SOD 活性有所提高。這表明，植株本身含有的保護(hù)性酶是調(diào)節(jié)自身的新陳代謝和吸收，而實(shí)驗(yàn)中的GO 恰巧起到了增加其吸附面積的作用。另外一方面，實(shí)驗(yàn)中添加不同濃度GO 后的NaCl 脅迫樹莓培苗電導(dǎo)率均高于單獨(dú)鹽脅迫的樹莓培養(yǎng)基電導(dǎo)率，證明了GO 表面所帶的負(fù)電荷使其電導(dǎo)率升高。

吳金海[7]等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯對(duì)甘藍(lán)型油菜種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用，而根系生長(zhǎng)指標(biāo)大多數(shù)要取決于石墨烯的濃度。另外，甘藍(lán)型油菜培苗中所含的保護(hù)性酶也隨GO 的濃度改變而產(chǎn)生不同程度的改變。

陳天霞[8]等采用山西省楊樹局組內(nèi)的美國(guó)紅櫨組培苗為實(shí)驗(yàn)原料，發(fā)現(xiàn)只有在較低或較高濃度GO處理下的培苗根系較完整，其他濃度GO 處理后的培苗根系形態(tài)不佳，但是所有濃度GO 處理后的美國(guó)紅櫨組培苗芽數(shù)均有所增加。

近年來(lái)，中國(guó)許多學(xué)者致力于研究石墨烯、GO對(duì)于草本植物、木本植物等的根系生長(zhǎng)影響，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的植物培苗在加入石墨烯或GO 的情況下呈良好的生長(zhǎng)趨勢(shì)，這也為未來(lái)石墨烯在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的理論基礎(chǔ)。

2 石墨烯及其氧化物在電極材料方面的應(yīng)用

2.1 石墨烯的電性改良

石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使得其在擠壓時(shí)受損程度能夠降到最低。石墨烯在室溫下的載流子遷移率多達(dá)硅材料的10 倍以上，且石墨烯的電子遷移率受溫度影響極小，是一種較為合適的電性改良原料。

劉雨璇[9]等分別制備了椰殼活性炭（AC）和石墨烯/椰殼活性炭復(fù)合材料。在掃描電子顯微鏡（SEM）下看到的AC 呈塊狀，因?yàn)橐瑲ぴ诟邷叵虏槐谎趸沟肁C 表面存在著許多不規(guī)則顆粒，而石墨烯的片層結(jié)構(gòu)使得它在膨脹或壓縮時(shí)都不易損壞。將活性炭和石墨烯混合成不同比例的石墨烯/椰殼活性炭復(fù)合材料進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）和恒流充放電（GCD）測(cè)試，由于石墨烯的電導(dǎo)率大于活性炭，這就提高了電子遷移率，復(fù)合材料的比電容也比椰殼活性炭增大了許多，有了更加良好的電學(xué)性能。

Ju Fu[10]等人成功地制作了獨(dú)特的三維（3D）分層多孔NiO 微花/石墨烯紙（fNiO/ GP）電極。所得的fNiO/GP 電極在高速率下顯示出優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。便捷的3D 多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合了石墨烯的優(yōu)勢(shì)，石墨烯的高導(dǎo)電性和柔韌性，可確?？焖俚碾娮?離子傳輸并在充電/放電過(guò)程中緩沖NiO 的體積膨脹，以及可誘導(dǎo)層次結(jié)構(gòu)之間的分層的微型NiO 花。納米級(jí)的孔隙可以促進(jìn)電解質(zhì)的滲透并防止石墨烯層的重新堆積。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將激發(fā)未來(lái)用于高性能柔性LiB的各種活性材料/石墨烯復(fù)合電極的制造。

2.2 氧化石墨烯作為電極材料的應(yīng)用

由于GO 含有的豐富官能團(tuán)和較好的穩(wěn)定性，以及良好的熒光猝滅特性[10]可以作為熒光傳感器應(yīng)用于繁雜的離子檢測(cè)體系中，也可以作為一種透明電極應(yīng)用到制造有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）上。在同等情況下，能更大程度地增加電極材料的多方面性能。

郭頌[11]等用GO 分別與空穴傳輸材料NPB 和8-羥基喹啉鋁(Alq3)摻雜制備不同的OLED，發(fā)現(xiàn)制備條件和測(cè)試環(huán)境一致的情況下，GO 與NPB 摻雜組成的器件性能明顯低于單一NPB材料，而GO與Alq3共蒸鍍組合成的器件卻高于單一Alq3器件，且GO 摻雜質(zhì)量濃度為10%時(shí)，共蒸鍍摻雜材料性能達(dá)到最佳。與石墨烯以一定比例混合的OLED 比原來(lái)更加高效、發(fā)光亮度增大，驅(qū)動(dòng)電壓無(wú)需太大，極大地改進(jìn)了OLED的性能。

呂鑫[12]等通過(guò)將APTS 和GPTS 在GO 表面把功能化納米氧化鋅和功能化納米氧化鈦混合，測(cè)定了不同配比復(fù)合涂料的穩(wěn)定性，以尋求最佳配比。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，GO 與功能化納米氧化鋅的質(zhì)量比為3∶1 是最佳比例，能夠使涂層達(dá)到穩(wěn)定的最佳實(shí)驗(yàn)溫度是80 ℃，而實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在15 min最佳。

劉葉峰[13]等制備出GO負(fù)載化的鈷酞菁復(fù)合催化劑CoAlPc/GO，并對(duì)其進(jìn)行了紅外光譜檢測(cè)、固載化醛基鈷酞菁的形貌和微觀結(jié)構(gòu)的探測(cè)及CoAlPc/GO催化劑的光催化性能探究。證明了CoAlPc/GO 催化劑是一種穩(wěn)定的，且可以重復(fù)使用的具有優(yōu)良性能的催化劑。

GO 對(duì)于OLED 的研發(fā)探索會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注，而GO 作為一種電極制備材料在電容器、生物傳感器等導(dǎo)電發(fā)光導(dǎo)熱設(shè)備中有著極好的應(yīng)用前景，會(huì)有效推動(dòng)化工方面的研發(fā)技術(shù)。

3 結(jié)論及展望

石墨烯憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從已有的研究報(bào)道中，石墨烯及氧化石墨烯對(duì)于作物的影響主要是改變植株培苗根系指標(biāo)和莖部生長(zhǎng)。氧化石墨烯能夠提高發(fā)光器件的發(fā)光亮度和電流等性能參數(shù)。

未來(lái)，石墨烯將會(huì)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)和行業(yè)前進(jìn)發(fā)揮巨大作用。