石墨烯前沿應(yīng)用研究發(fā)展綜述

石墨烯前沿應(yīng)用爭辯進(jìn)展綜述石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂20042（AndreGeimKonstantin墨烯在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用都是涉及到它的導(dǎo)電性能和機(jī)械淡化、光崔化等角度介紹石墨烯的爭辯進(jìn)展?fàn)顩r。新能源電池導(dǎo)電添加劑及電極復(fù)合材料在二氧化錫（一種鋰離子電池負(fù)極材料）材料，可以有效緩解電池充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹問題復(fù)合材料比一般的導(dǎo)電劑性能更好，削減了多次循環(huán)的損耗，司ChengQian團(tuán)隊(duì)研制出呈蜂窩狀的多孔石墨烯海綿將其用作鋰離子正負(fù)電極的導(dǎo)電添加劑時(shí)能夠有效提高電池電極的電子傳導(dǎo)率，降低活性物質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，提升電池倍率性能和循環(huán)。石墨烯材料是導(dǎo)電添加劑材料的重要爭辯方向。將石墨烯導(dǎo)電劑和具有更高導(dǎo)電性的碳材料組成復(fù)合導(dǎo)電劑，能夠使導(dǎo)電劑更充分地接觸活性物質(zhì)，可從不同維度上構(gòu)建協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，更好地改善正極性能。ft東高校Jiang Rongyan等人在二氧化錳（MnO2）基電極材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%和10%的炭黑與石墨烯后顯著提升了電極材料的性能。清華高校爭辯團(tuán)隊(duì)利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%Super-P(SP) 和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2% 的石墨烯納米片（GN）作為二元導(dǎo)電劑，在鈷酸鋰）電極中構(gòu)建有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提升電倍率性能和循環(huán)，優(yōu)于市場(chǎng)上含有3%SP的電池，進(jìn)一步論證了GN添加劑用于高性能鋰離子鋰電池的商業(yè)潛力。集流體2012年，科學(xué)院金屬爭辯的集流體[7]。Ruoff課題組將泡沫石墨烯作為集流體，并應(yīng)碳材料，具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電率。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域石墨烯的爭辯主要是關(guān)注用于物分子檢測(cè)的氧化石墨烯生物探測(cè)器設(shè)備的研發(fā)氧化墨烯的抗菌作用、石墨烯生物安全性以及毒性作用機(jī)理等研究石墨烯在生物光熱治療光儲(chǔ)存方面的爭辯[9]生醫(yī)學(xué)傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。墨爾本高校爭辯團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯的熱電傳感裝置。該裝置首先是構(gòu)造一個(gè)邊緣為氫鈍化的曲折的石墨烯納米帶，再讓石墨烯納米帶的表面接近單個(gè)生物分子，從而精確?????地檢測(cè)出單個(gè)分子。印度 CSIR 公司Bhatnagar 等人設(shè)計(jì)出一種石墨烯量子點(diǎn)和聚酰胺-(PAMAM) 納米復(fù)合修飾金電極超敏心肌肌鈣蛋白I抗體于快速檢測(cè)人心肌梗死石墨烯是一種很有前景的納米DNA測(cè)序材料基于石墨烯的傳感器可以用于DNA測(cè)序但目前市場(chǎng)規(guī)模較小。原理是納米孔與基于石墨烯的傳感器結(jié)合起來，讓單個(gè)DNA分子穿過傳感器，從而實(shí)現(xiàn)單DNA分子序[12]。浙江高校梁立軍通過對(duì)多層石墨烯納米孔道中對(duì)DNA 分子進(jìn)行穿孔行為的爭辯，發(fā)覺多層石墨烯對(duì)于 測(cè)序在精度方面優(yōu)于單層石墨烯。氧化石墨烯的抗菌作用及生物安全性由于傳統(tǒng)的抗生素的濫用會(huì)造成抗藥性問題，抑菌性能減弱，而納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，可以用來制作高效安全的抗菌劑，所以納米抗菌材料如今得到人們的關(guān)注和重視。石墨烯的衍生物如氧化石墨烯在抗菌領(lǐng)域中具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力新加坡南洋理工高校LiuShaobin等人使用原子力顯微鏡發(fā)覺了氧化石墨烯（GO）對(duì)大腸埃希菌的破壞作用。GO通過包裹此種菌的細(xì)胞，阻斷了細(xì)胞與四周環(huán)境的交互阻擋細(xì)胞的不斷增值，從而造成此種類細(xì)胞丟失活性，但氧化石墨烯薄片尺寸較小時(shí)，不能有效地將細(xì)胞與環(huán)境隔離。印度阿利加爾穆斯林高校Kulshrestha 等人將氧化石墨烯與鋅離子結(jié)合制成石墨烯/氧化鋅納米復(fù)合物（GZNC），探究了GZNC對(duì)變形鏈球菌致齲特性的潛在影響，發(fā)覺其對(duì)變異鏈球菌的抗菌作用格外顯著，GZNC 具有有效抑制變異鏈球菌生物膜形成的力量。氧化石墨烯的抗菌機(jī)理主要有對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的氧化應(yīng)激和直接破壞2方面，目前學(xué)術(shù)界不少人對(duì)GO的抗菌性能持懷疑態(tài)度，還需要進(jìn)行更深層次的爭辯。基因載體點(diǎn)。石墨烯及其衍生物能作為基因載體，主要是因其具有以下性能：①易于進(jìn)行化學(xué)修飾；②可以結(jié)合核苷酸；③④⑤低毒DongHaifeng等人利用石墨烯納米帶（GNR）PEI—GNR基因載體。蘇州高校馮良珠通過靜電吸附方法有效地將帶正電荷的聚乙烯亞胺分子包裹到納米石墨烯表面，基于石墨烯進(jìn)行一系列基因載體的構(gòu)建構(gòu)建的堿化氧化石墨合體被證明在細(xì)胞水平上具有基因負(fù)載力量[19]。加拿大麥吉爾高校ImaniRana和他的團(tuán)隊(duì)使用磷脂的聚合物(PL—PEG)和細(xì)胞穿透肽(CPP) 來改進(jìn)基于 GO 納米載體的穩(wěn)定性和siRNA轉(zhuǎn)染力量[20]由于不同石墨烯材料對(duì)基因載體的性能的影響不同，需要進(jìn)行更系統(tǒng)的對(duì)比爭辯，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)石墨烯基因載體的設(shè)計(jì)。海水淡化脫鹽法(CDI)El—Deen等人將顆粒狀的納米二氧化錳（MnO2）MnO2分別與石墨烯進(jìn)行復(fù)/MnO2復(fù)合材料的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)MnO2作為電極時(shí)，電容去離子效果更5.01mg/g93%再循環(huán)力量。ft東高校韓登程等人在石墨烯片層中間引入一MnO2子的有效接觸面積得到增加，提升了脫鹽性能。麻省理工學(xué)RohitKaenik在試驗(yàn)中發(fā)覺，脫鹽要求設(shè)計(jì)堅(jiān)韌的石墨烯基膜，要保障濾膜能承受高壓流淌，以此來消退海水中的鹽離子。石墨烯可以作為吸附劑石墨烯格外適合作為吸附劑來吸附有機(jī)物（特殊稅大分子有機(jī)污染物）和無機(jī)陰離子，其中氧化石墨烯對(duì)無機(jī)污染物的吸附效果較好。綏化學(xué)院遲彩霞等人將抗壞血酸作為還原劑，通過還原誘導(dǎo)自組裝法制備石墨烯氣凝膠，并將這種材料用于吸附甲苯等，該物質(zhì)表現(xiàn)出不錯(cuò)的吸附性能和循環(huán)使用性能。青島高校楊彩霞使用生物相容性好的聚乙烯醇接受溶膠—凝膠法制備出了O復(fù)合水凝膠材料，并爭辯了該材料對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，其吸附的容量高達(dá)476mg/g。石墨烯水凝膠材料極大提高了吸附性能，有效避開了二維石墨烯材料直接用于水處理產(chǎn)生的二次污染問題?？茖W(xué)院沈陽國家試驗(yàn)室材料科學(xué)爭辯所Zhao Jinping等人利用水熱法制備出擁有超低密度（2.1mg/cm3）的氮摻雜多孔體形的石墨烯材料，該材料能吸附相當(dāng)于其自身質(zhì)量200～600倍的原油和有機(jī)溶劑。石墨烯用作過濾分別材料科技高校近代力學(xué)系教授吳恒安與英國曼徹斯特高校合作爭辯發(fā)覺，氧化石墨烯薄膜具有快速精準(zhǔn)篩選離的性能。吳恒安課題組接受分子模擬方法，爭辯了石墨烯米通道對(duì)離子的過濾機(jī)理。爭辯發(fā)覺水中的氧化石墨烯薄與水相互作用后形成大約 0.9nm 寬毛細(xì)通道，直徑超過0.9nm的離子會(huì)被完全阻隔。石墨烯與離子之間存在的相互作用使離子在納米通道中聚集，從而促進(jìn)離子的快速集中也稱為“離子海綿效應(yīng)”。這一爭辯意味著制造出將海水變成飲用水的過濾裝置有望成為現(xiàn)實(shí)。英國曼徹斯特高校爭辯員研發(fā)了一種新型石墨烯氧化物薄膜。他們利用環(huán)氧樹脂層在薄膜的兩邊形成“阻斷墻”，使薄膜在水中的膨脹程度得到有效把握。當(dāng)薄膜膨脹時(shí)，這種方法能把握薄膜上微空的大小，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)過濾細(xì)小鹽離子的目標(biāo)，將來有能使這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)化的應(yīng)用[28]。上海應(yīng)用物理爭辯所、上海高校和浙江農(nóng)林高校等單位合作研發(fā)設(shè)計(jì)出種疊層氧化石墨烯薄膜。這種薄膜可通過水合離子精密調(diào)層間距，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鹽溶液中包括鉀離子在內(nèi)的離子的截留，使水分快速通過，達(dá)到精確篩分水分子和不同離子的果。石墨烯在光催化方面的應(yīng)用利用太陽能光催化分解水產(chǎn)生氫能源，是目前進(jìn)展可再生能源的有效途徑之一。光催化技術(shù)是處理工業(yè)廢水的有效途徑之一。目前的光催化材料主要有金屬氧化物、氮化物、金屬硫化物、納米復(fù)合材料等。石墨烯材料因其獨(dú)特的電子傳輸特性，將其與其他材料復(fù)合制出光催化材料，能夠明顯提升光催化效果，是該領(lǐng)域爭辯的技術(shù)熱點(diǎn)之一。西南高校資環(huán)學(xué)院朱紅慶團(tuán)隊(duì)接受光催化還原法成功制備出微米級(jí)碳化硅石墨烯復(fù)合材料SiC與石墨烯復(fù)合使光電子和光生空穴的分別效率有了顯著提高，延長了其壽命。在可見光的照射下當(dāng)SiC/石墨烯配比為1:0.8時(shí)對(duì)常見染料污染物羅丹明B(RhB)具有明顯的催化效果，光照60 min時(shí)RhB的降解率可以達(dá)到92.7% 。近年來，具有sp2—sp2鍵的納米級(jí)石墨烯顆粒組成的石墨烯量子點(diǎn)具有可調(diào)的電學(xué)和光學(xué)特性和豐富的邊緣缺陷，在光電轉(zhuǎn)化和光催化方面具有優(yōu)異性能。其他領(lǐng)域石墨烯能夠在航空航天領(lǐng)域得到突出應(yīng)用。美國國家航空航天局開發(fā)一款石墨烯傳感器，能夠很好的檢地球高空大氣層微量元素以及航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷。南開高校化學(xué)學(xué)院陳永生團(tuán)隊(duì)與美國萊斯高校合作研制出一種新型三維石墨烯材料。這種材料能夠承受 4～1273K（約-269～1 000℃）的溫度，具有良好的穩(wěn)定性和彈性，有望成為航天設(shè)備制造領(lǐng)域的“太空海綿”。氧化石墨烯是一種很有潛力的儲(chǔ)氫襯底材料，純潔的石墨烯不利于氫氣的直接吸附。加拿大多倫多高校Yadav等人報(bào)道了具有拓?fù)淙毕莸氖┑膬?chǔ)氫力量與本征型石墨烯比有明顯的提高。悉尼科技高校AO Zhimin等人對(duì)摻雜鋁的多孔石墨烯的儲(chǔ)氫力量進(jìn)行爭辯，發(fā)覺石墨烯上的鋁原子能增加氫分子與石墨烯的相互作用；多孔石墨烯具有巨大的表面積，能引發(fā)電子從氫分子轉(zhuǎn)移到石墨烯使氫分子極化從而更有利于氫分子的吸附實(shí)現(xiàn)氫氣的高效儲(chǔ)存和快速釋放。一般電子紙接受傳統(tǒng)的一種銦錫氧化物材料，但這種材料在彎曲時(shí)簡潔產(chǎn)生裂縫。石墨烯材料具有良好的透光率，可以用作電子紙材料，適用于可穿戴電子設(shè)備。廣州奧翼電子和重慶墨?？萍己献餮邪l(fā)了一款石墨烯電子紙[34]，將來有望將這種材料應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的顯示界面，有望成為在柔性顯示領(lǐng)域的一大競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。展望石墨烯以其獨(dú)特的