【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量非常少，而且，石墨烯本身也是良好的熱導(dǎo)體所以會(huì)很快散發(fā)熱量。石墨烯制備的電子器件運(yùn)行速度比硅器件高出2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，性能都遠(yuǎn)優(yōu)于以硅為材料制備的器件。石墨烯有望取代硅成為納米電路的理想材料，進(jìn)入人們所期待的“后硅時(shí)代”。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能和超高的透光性使其可作為透明電極、太陽能電池電極、液晶顯示等。傳統(tǒng)的液晶顯示器用氧化銦錫（ITO）作為透明電極，但氧化銦錫很稀有，價(jià)格昂貴，很容易破碎，且不穩(wěn)定，會(huì)釋放有毒的粒子。石墨烯的光透明度極高，吸收率僅為2%左右，遠(yuǎn)低于氧化銦錫的15%~18%。所以，石墨烯制備工藝成熟以后，石墨烯取代氧化銦錫成為透明電極材料也是必然的。石墨烯良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性和超常的比表面積，使其成為儲(chǔ)能體系的理想候選材料。超級(jí)電容器就是一個(gè)高效的儲(chǔ)能體系，具有容量大、功率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于超級(jí)電容器，適合電荷聚集的有效“表面積”越大，其儲(chǔ)電容量越大。單層石墨烯的比表面積為，而一般有缺陷的石墨烯比表面積更高，所以可以通過在石墨烯中營造孔隙來進(jìn)一步提高比表面積[2427]。石墨烯的研究剛剛起步，面臨著種種困難。在制備工藝方面，制備用于實(shí)驗(yàn)的石墨烯樣品雖已不是問題，但大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的工藝還待改進(jìn)。從現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)看，未來的晶體管將會(huì)由純凈的、具有高導(dǎo)電性的石墨烯晶體和經(jīng)過化學(xué)改進(jìn)的具有半導(dǎo)體性能的石墨烯衍生物一起組成。研究人員和工業(yè)界將石墨烯看作硅的替代品，用以生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。隨著石墨烯的各種特性被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，相信很快就可以投入大批量低成本的工業(yè)化生產(chǎn)?？扑固貋喼Z維塞洛維說：“石墨烯是一種極佳的導(dǎo)體，可被廣泛的應(yīng)用于諸多電子設(shè)備當(dāng)中，如果可以通過化學(xué)方法按人們的需要控制其電子性能，那將具有更為誘人的應(yīng)用前景。我們的工作已經(jīng)證明了這種方法的可行性，已經(jīng)打開制造石墨烯化學(xué)衍生物的閘門，這將進(jìn)一步拓寬石墨烯的應(yīng)用空間”。英國科學(xué)家在石墨烯基礎(chǔ)上開發(fā)出一種具有突破性的新材料，用純凈的石墨烯和氫制備出具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物―石墨烷，在不破壞石墨烯獨(dú)特的六角形晶格結(jié)構(gòu)和單原子厚度的情況下，在每個(gè)碳原子上都增加了一個(gè)氫原子，從而制備出了具有新特性的新材料。這些新型超薄材料具有不同導(dǎo)電性能。該實(shí)驗(yàn)證明了可以通過化學(xué)方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學(xué)衍生物鋪平了道路。同時(shí)，對(duì)類石墨烯的研究和應(yīng)用，也極大地拓展了石墨烯的應(yīng)用和發(fā)展，顯示了其強(qiáng)大的生命力。雖然石墨烯的應(yīng)用和研究還面臨種種困難，但對(duì)石墨烯的研究有著令人神往的前景，已成為新型材料應(yīng)用的熱點(diǎn)，在不久的將來，我們的生活會(huì)因石墨烯而改變。 石墨烯的二維結(jié)構(gòu)使得它在層狀材料中的比表面積最大，表面部位與體相間無區(qū)別，這對(duì)高明敏感性必不可少，這種材料已成為其它納米材料傳感器實(shí)施背后的主要推動(dòng)力。超高比表面與奇異電子性質(zhì)的結(jié)合意味著石墨烯上任何分子的破壞都容易檢測(cè)到，石墨烯導(dǎo)向的傳感器檢測(cè)表面上下的單個(gè)分子很敏感。二維石墨烯的獲得使設(shè)計(jì)和制備石墨烯導(dǎo)向的電極并使其運(yùn)用在電化學(xué)傳感器和生物傳感器中成為可能。目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了石墨烯及石墨烯基材料在傳感方面的應(yīng)用。（1）電化學(xué)傳感器石墨烯裝置作為氣體傳感器的工作原理是基于由表面吸附物引起的電導(dǎo)率的變化，這些表面吸附物作為受體或供體與它們的化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)先吸附面及周圍氣氛有關(guān)。通過監(jiān)測(cè)電阻的變化，可以很好地檢測(cè)到環(huán)境中特定氣體的微小濃度。Geim組證明吸附分子，如 NOH2O、CO 和 NH3，可以改變石墨烯的局部載流子濃度，導(dǎo)致電阻變化；因此，當(dāng)氣體分子，如 NO2從石墨烯表面吸附或脫附時(shí)，微米級(jí)石墨烯氣體傳感器可以檢測(cè)單個(gè)分子。Fowler 等報(bào)道了可檢測(cè) NONH2，4二硝基苯的化學(xué)改性石墨烯傳感器的發(fā)展。他們發(fā)現(xiàn)傳感器中化學(xué)響應(yīng)的主要機(jī)理是非分析物與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移，而電觸頭的作用有限。Parvin用石墨烯碳糊電極（GPE）檢測(cè)了藥物中氯丙嗪（CPZ）含量，檢測(cè)限和定量極限分別為 和 ，檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)簽值一致?；谑┑奶己姌O及金屬氧化物/石墨烯納米復(fù)合材料傳感器在抗壞血酸（AA）的存在下檢測(cè)多巴胺（DA），結(jié)果表明選擇響應(yīng)性良好，靈敏度高[2830]。（2）生物傳感器由于石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和奇異的電子性質(zhì)，石墨烯基材料為生物分子固定化保持生物活性提供了一個(gè)微環(huán)境，促進(jìn)了固定化生物分子和電極基質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移。因此，將酶或蛋白質(zhì)固定在石墨烯及石墨烯基材料表面，制備石墨烯基生物傳感器是又一個(gè)應(yīng)用點(diǎn)。Li 等將辣根過氧化物酶固定在全氟磺酸石墨烯表面，作為 H2O2傳感器的電極材料，其對(duì) H2O2的線性響應(yīng)范圍為 ，檢出限為 ，而且電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。在 ，經(jīng)過幾個(gè)重復(fù)測(cè)試，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為 %；經(jīng)過 90min的連續(xù)循環(huán)伏安測(cè)試，H2O2還原峰值電流仍為初始值的 %。血紅蛋白固定于離子液體/聚二烯丙基二甲基氯化銨石墨烯復(fù)合材料表面，用于檢測(cè)硝酸鹽的生物傳感器也有報(bào)道[31]。 電化學(xué)催化石墨烯基材料的電催化作用來自兩個(gè)不同途徑。一方面，石墨烯或其衍生物自身有極好的催化性質(zhì)。Li等證明非共價(jià)鍵功能化鐵酞菁墨烯納米材料在Fe(CN)6還原系統(tǒng)中表現(xiàn)出快速電子傳遞動(dòng)力學(xué)，在異煙肼和尿酸的氧化中表現(xiàn)出增強(qiáng)的電催化作用，且石墨烯可以促進(jìn)玻璃碳電極和電活性中心之間的電子轉(zhuǎn)移。石墨烯顯著的快速電子傳遞功能和活潑的電催化作用主要是由于出現(xiàn)在垂直石墨烯納米片最后的類似于熱解石墨邊緣平面的邊緣面/缺陷。另一方面，在石墨烯上沉積無機(jī)金屬，尤其是貴金屬納米顆粒，形成石墨烯衍生物，由于貴金屬納米顆粒有著極好的催化活性，因此形成的石墨烯衍生物呈現(xiàn)出新的電催化性質(zhì)。Li等通過還原氧化石墨和H2PtCl6制備Pt/石墨烯納米復(fù)合材料，Pt/石墨烯納米復(fù)合材料對(duì)甲醇氧化有極好的催化性能。 電化學(xué)發(fā)光 電化學(xué)發(fā)光是一種通過電化學(xué)激發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。電化學(xué)發(fā)光傳感器中石墨烯的超高導(dǎo)電性質(zhì)能有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)石墨烯進(jìn)入傳感器平臺(tái)，它可以充當(dāng)發(fā)光團(tuán)和電極之間的通路。而且，石墨烯的引入可以提高平臺(tái)的表面積和孔隙率，這可以使共反應(yīng)物擴(kuò)散得更快。鄧盛元等采用原位電化學(xué)還原法制備了量子點(diǎn)石墨烯納米復(fù)合物，其改善了量子點(diǎn)自身面臨的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度不高且缺乏穩(wěn)定性的缺陷[32]。測(cè)試結(jié)果表明，量子點(diǎn)石墨烯納米復(fù)合物的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度伴隨氧化石墨烯的電化學(xué)還原而逐漸增強(qiáng)。 能量存儲(chǔ)裝置石墨烯和石墨烯基材料導(dǎo)電性好、比表面積高、透明度高、電位窗口寬，因此，它們成為能量轉(zhuǎn)換裝置中一種極有前途的電極材料。石墨烯基材料電極的優(yōu)點(diǎn)已在與能量相關(guān)的電化學(xué)裝置的應(yīng)用中得到證明，如鋰電池（LIBs）、太陽能電池、超級(jí)電容器等。LIBs是一個(gè)引進(jìn)鋰離子的供電裝置，由陽極、電解質(zhì)、陰極組成。LIBs的能量密度和性能在很大程度上與陽極材料的物理和化學(xué)性能有關(guān)。因此，為使電池有更高的能量密度、更好的性能，在探索新的陽極電極材料或設(shè)計(jì)新的納米結(jié)構(gòu)的陽極電極材料方面已作出許多嘗試。當(dāng)前，石墨烯基材料，包括石墨烯納米片，石墨烯薄膜和納米石墨烯雜化物，已作為LIBs大量電極材料引起而別關(guān)注，這歸因于它們優(yōu)秀的鋰儲(chǔ)能性質(zhì)。例如，Paek等證明具有三維分層柔韌結(jié)構(gòu)的SnO2/石墨烯納米孔電極循環(huán)性能和鋰存儲(chǔ)容量提高。具有柔韌結(jié)構(gòu)的SnO2/石墨烯納米孔電極材料由石墨烯納米片和SnO2納米顆粒組裝而成。與裸露SnO2電極相比，SnO2/GNS電極的可逆容量提高，循環(huán)性能優(yōu)化。石墨烯也已經(jīng)作為一種誘人的電極材料應(yīng)用在太陽能電池方面，盡管由于石墨烯薄膜相對(duì)高的電阻使得電容器的功率轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。Mǔllen組報(bào)道了透明導(dǎo)電超薄石墨烯薄膜代替固態(tài)染料敏化太陽能電池（DSSCs）中常用的金屬氧化物窗口電極。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯太陽能電池的安（電流電壓）%，比在相同程序下制備的FTO電池的總功率轉(zhuǎn)化效率要相對(duì)低[33]。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）在大規(guī)模、靈活、低成本電子學(xué)中有潛在的應(yīng)用，因而在過去的數(shù)十年中已引起研究者們的注意。場(chǎng)效應(yīng)晶體管靠電場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)作，這種電場(chǎng)效應(yīng)是一種類型的電荷載流子（電子或空穴）通過單一類型的半導(dǎo)體金屬（例，一個(gè)“導(dǎo)電通道”）從源頭到通道的流動(dòng)產(chǎn)生。石墨烯本質(zhì)上是半金屬或零帶隙半導(dǎo)體、具有很高的載流子遷移率，電子在石墨烯中的傳導(dǎo)速度比硅快很多，而且不受溫度的影響，這些優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、電子和物理性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的直接應(yīng)用?！　H上石墨烯研究人員的數(shù)量迅速增加，世界各國政府和各大公司也都高度重視并投入人力、物力搶占這一戰(zhàn)略高地，我國科學(xué)家在該領(lǐng)域起步較快，已經(jīng)形成一定國際影響。例如，中國科學(xué)院長春應(yīng)化所在石墨烯研究方面獲得系列進(jìn)展，他們從基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究入手，圍繞石墨烯的制備、化學(xué)修飾、性能研究等，開展了系列卓有成效的研究工作，并積極探索其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了系列創(chuàng)新性的研究進(jìn)展，不但在石墨烯的制備、化學(xué)修飾、性能研究等方面取得了長足進(jìn)步，還研制開發(fā)出多種高強(qiáng)度、高韌性樹脂材料等。此外，長春應(yīng)化所還在石墨烯透明電極、生物傳感等方面進(jìn)行了初步探索，獲得一系列相關(guān)研究結(jié)果，引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。2008 年12 月7 日在南開大學(xué)舉行了“石墨烯／單層石墨研討會(huì)”，就石墨烯／單層石墨研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向(制備、表征、性質(zhì)及應(yīng)用探索)進(jìn)行了深入探討，使我國在該領(lǐng)域向更高的學(xué)術(shù)和研究水平更邁進(jìn)了一步?！　?008 年8 月1 日，中科院物理研究所王恩哥等采用剝離再嵌入擴(kuò)漲的方法成功地制備了高質(zhì)量石墨烯。利用透射電子顯微術(shù)對(duì)石墨烯進(jìn)行表征并進(jìn)行了深入的晶體結(jié)構(gòu)分析。中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測(cè)石墨烯的理想強(qiáng)度為110～121GPa，這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。中國科學(xué)院化學(xué)所的研究人員探索了一種制備圖案化石墨烯的方法，以圖案化的金屬層作為催化劑制備了圖案化的石墨烯，并成功地將其應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電極。研究結(jié)果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電極材料。低的載流子注入勢(shì)壘和良好的電極半導(dǎo)體接觸是器件具有高性能的主要原因。這一研究進(jìn)展為有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和石墨烯的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。中科院蘭州化學(xué)物理研究所的科研人員最近在石墨烯一非晶碳復(fù)合薄膜的制備研究方面取得新進(jìn)展。有關(guān)研究成果發(fā)表在近期Carbon 刊物上。初步研究結(jié)果表明，非晶碳納米顆粒的介入在不犧牲石墨烯薄膜高導(dǎo)電性的前提下極大地改善了膜基結(jié)合強(qiáng)度。該薄膜有望作為一種新型的電極材料，應(yīng)用于高效高壽命電池、電容器和平板顯示器等領(lǐng)域。大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室納米和界面催化研究組，在多年碳材料研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)石墨烯材料的新途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。他們通過對(duì)原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控，為石墨烯作為新型電極材料以及催化材料的研究及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。值得一提的是，我國科學(xué)家率先實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕技術(shù)，這是我國科學(xué)家在該研究領(lǐng)域中獨(dú)具特色的工作，相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在國際知名雜AdvancedMaterials上[34]。單層石墨烯的成功制備，引發(fā)了新的碳質(zhì)材料的研究熱潮。石墨烯納米晶體管的成功制備預(yù)示了石墨烯是未來納米電子器件極有前景的材料。與此同時(shí)，對(duì)石墨烯的力學(xué)性能等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，也是前沿科學(xué)家的研究熱點(diǎn)之一。隨著碳材料性能的不斷改進(jìn)，使得其逐漸成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)。石墨烯制備方法現(xiàn)狀，據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，韓國科學(xué)家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得重大突破，發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。韓國成均館大學(xué)洪秉熙領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組生產(chǎn)出了高純度石墨烯薄膜，還把它們貼在透明可彎曲的聚合物上，制成了一個(gè)透明電極——這算得上是化學(xué)氣相沉積法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一。經(jīng)過改進(jìn)之后，這種電極可以取代顯示器上現(xiàn)在所使用的透明電極，價(jià)格卻比現(xiàn)在通常用氧化銦制成的電極便宜得多。美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法，該混合材料有望作為太陽能薄膜電池和家用電器設(shè)備的透明導(dǎo)體，比現(xiàn)在使用的具有相同功能的其他材料更具柔軟性且價(jià)格更低。加州大學(xué)洛杉磯分校研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)制做出一種新型的石墨烯納米結(jié)構(gòu)——介孔石墨烯?？组g石墨烯的寬度最小可以達(dá)到5nm。介孔石墨烯可以用于大規(guī)模生產(chǎn)以介孔石墨烯為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體集成電路[35]。美國科學(xué)家使用普通的蔗糖制造出了純凈的石墨烯，用這種石墨烯可以研制出更輕、更快、更廉價(jià)、更緊實(shí)柔韌的計(jì)算機(jī)電子設(shè)備，可廣泛運(yùn)用于軍用飛機(jī)和醫(yī)療領(lǐng)域。2009 年11 月日本東北大學(xué)與會(huì)津大學(xué)通過合作研