李江存 杜镇潇 梁婷 王悦 江丁洋 严坤

摘 要：石墨烯是一种新型材料，是由碳原子构成的单层片状二维晶体，具有优异的导电性、透明性和极强的力学性能。石墨烯是目前最薄电阻率最小且坚硬的纳米材料。常见的制备方法有：剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法和溶剂热法等。本文在简要阐述石墨烯的结构和性质基础上，介绍其制备方法及各方法的优缺点。对石墨烯在传感器、野战饮水处理器、防毒面具、防护服和晶体管等化生领域的应用进行展望。

关键词：石墨烯 核生化领域 应用展望

中图分类号：TB32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0083-02

石墨烯（Graphene）是化学领域里一种新型材料，它的结构是由碳原子构成的单层片状结构[1]。由于石墨烯非常低的电阻率，因而电子迁移的速度极快，基于这个特性，它是目前世界上十分坚硬的最薄的电阻率最小的纳米材料。因此，石墨烯材料有望用来被制成导电速度更快的全新极薄电子元件或晶体管。石墨烯的众多化学特性使其成为传感类物品的新希望。尤其是它对一些酶具有十分强大的电子迁移能力，使其适合做基于酶的生物传感器。本文在简单介绍石墨烯的结构和性质基础上，对其在核生化领域的应用进行展望。

1 石墨烯的结构与性质

石墨烯是碳材料的一种，拥有碳材料所有的性质并且更加出色。石墨烯的碳原子碳原子杂化方式是sp2杂化，每个碳原子与其相邻的三个碳原子之间不仅以很强的共价σ键结合，且互成120°角，因此构成了石墨烯的独特的六角晶格[2]。在低温时，石墨烯的热导效应大部分由其中的弹道传输所控制，在高温时是由光子传导的。经过研究，室温下石墨烯是目前所有已知的化学材料中热导率最高的。因此，凭借其优异的热导性能，它在许多微热电器件等领域的应用前景极其重大。石墨烯的六角型蜂窝状晶格，是其独特的电子结构和优异的电学性能。石墨烯也同样有着极高的透明度，在可见光范围，石墨烯薄膜的透明度随着膜厚的增加而降低。

2 石墨烯的制备方法

石墨烯稀有的物理结构和化学性质决定了其制备方法成为了化学界的焦点。常见的石墨烯材料制备方法主要有：剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法和溶剂热法等。

石墨烯剥离法是通过对石墨晶体施加机械力，分离出来石墨烯或石墨烯纳米片层。石墨烯剥离法工艺简单、制作成本低，是最经济的石墨烯制备方法。主要的剥离法有机械剥离、热膨胀剥离、电化学剥离和溶剂剥离法等。其中机械剥离法最为常用，通过外力的作用，从石墨晶体表面剥离出石墨烯层，转移到载体表面获得石墨烯。Nocoselov[3]等就是用透明胶带反复剥离高定向热解石墨获得石墨烯的。

氧化还原法的化学原理是在所使用的材料生成氧化石墨后，加入一定的强碱等还原剂或者使用相应的热剥离等还原方法来去掉表层的含氧基团，从而得到石墨烯。根据氧化剂和还原剂所使用的材料不同，氧化法还原又分以下方法：Hummer氧化法、Brodie氧化法以及Staudenmaier氧化法[4]。这种方法的优势是可以有效解决石墨烯在溶剂里难分散等问题，但缺点是难以处理制作过程中产生的化学污染。

化学气相沉积法的原理是利用气相反应，在加热的原材料表面生成固态石墨烯[2]。这样做的好处是成本低，满足了石墨烯规模化生产需求。而坏处在于提高了石墨烯的制备难度。

溶剂热法是在密闭的高压釜中加热，当到达临界温度后，利用系统中自身产生的高压来获取石墨烯的方法，这是一种新的途径。它不仅实现了在高温高压封闭体系下制备石墨烯，同时也化解了工业规模化的制作难题。

3 石墨烯在化生领域的应用展望

3.1 石墨烯化生传感器上的应用

石墨烯及其衍生物具有超高的比较面积和导热率、超强的力学性能和导电率以及良好的生物相容性等众多优异性能，使其成为构建生物传感器重要的支撑材料和强大的优异平台。石墨烯做为电化学型的生物传感器能够对多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）进行原位检测。目前电化学生物传感器件常见的有安培型、电化学发光型、电化学阻抗型、场效应晶体管型、光电化学型等5种[5]。在光学生物传感器制备与修饰研究中，石墨烯由于特殊的物理性质和化学结构获得了广泛的关注。于此同时，氧化石墨烯的荧光淬灭性与其被氧化的程度相关。根据石墨烯的光学特性，人们开始了针对石墨烯荧光、可视传感器及表面增强拉曼传感器的研究。

3.2 石墨烯炭海绵野战饮水处理器

石墨烯、碳纳米管可以做成无若干个孔隙的三维多孔材料。“碳海绵”具有高弹性一级高吸油能力。它被迫压缩后，能够恢复到原来的样子，对一些有机的溶剂有很强的吸引力，是现今为止，已知的吸油力最高的材料。现有的吸油材料一般只能吸附自身质量十倍左右，而“碳海绵”的吸收量平均是其25倍，最高可达普通材料的90倍，只吸油不吸水。大胃王碳海绵吃掉有机物的速度也是快的让人意想不到：每秒就能够吸收68.8g的有機物[6]。鉴于石墨烯的高效吸附功能，将其应用于抽压式净水处理器的过滤部件能更好地处理野外饮用水，以及特定情况下污染区内采水的问题。

3.3 石墨烯防毒面具、防护服

军用滤毒罐所用的活性碳微孔较发达，是吸附发生的主要场所，吸附作用主要由碳和吸附质分子之间的范德华力决定。相对于军用滤毒罐中所用的活性炭，石墨烯具有更好的吸附能力以及吸着量，还能重复多次循环利用。所以，如果未来将石墨烯应用在这些方面，将为在与毒魔斗争一线工作的官兵提供更加可靠安全的防护设备，能大大提高工作效率与工作质量。

3.4 石墨烯在晶体管上的应用

由于目前化学理论和物理方法的制约，针对硅晶体管的研究已基本到达尽头，因此寻找新的替代材料势在必行。石墨烯超大比表面积，使其对于大规模生产集成设备具有很强的优势。再加上石墨烯制成的晶体管速度更快，因而很可能成为新一代晶体管更加符合的电极材料。

4 结语

石墨烯作为一种新型材料，具有优异的导电性、透明性和极强的力学性能，是目前最薄电阻率最小且坚硬的纳米材料。其常见的制备方法有：剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法和溶剂热法等。本文在简要阐述石墨烯的结构和性质基础上，介绍其制备方法及各方法的优缺点。对石墨烯在传感器、野战饮水处理器、防毒面具、防护服和晶体管等化生领域的应用进行展望。鉴于石墨烯各项针对性的实验未能开展得不到相关数据，所以没有在论文中展现，但是对于已有的各种碳材料，石墨烯的优势十分明显。如果石墨烯的制备工艺得到突破，能够大量较为廉价的得到石墨烯，那么所有的猜想都能够实现，石墨烯的军工装备就可以大量装备。

参考文献

[1] 王天华，易莎莎，纪三郝.国内外石墨烯应用研究发展与展望[J].化学工程与装备，2015，1（9）：164-165.

[2] 陆璐.石墨烯的制备方法和应用[J].广州化工，2013（15）：27-29.

[3] 张利萍.石墨烯研究进展及展望[J].内蒙古石油化工， 2016（Z1）：11-12.

[4] 陈政龙，高灵清.石墨烯常用制备和表征方法研究状态分析[J].材料开发与应用，2015，1（12）：19-28.

[5] 周超，陈思浩，楼建中，等.石墨烯在传感器中的应用研究进展[J].材料导报，2014（S1）：15-20.

[6] 李一巍.新型碳元素材料的特性和潜在应用[J].科技风，2015（14）：86.