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          國內外石墨烯三大研究熱點

           來源:本站原創 作者:yclkzyw 發表日期:2016/9/10

            石墨烯具有廣闊的應用空間和巨大的經濟效益。據預計,到 2024 年前后,石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件,在納米電子器件、光電化學電池、超輕型飛機材料等研究領域得到應用。正是在這一背景下,目前國內外對石墨烯技術的應用研究如火如荼,而主要的研究熱點則集中在儲能、電化學分析和石墨烯的生物安全性等方面。

            儲能材料領域新型儲能材料的研發是推動高效儲能技術發展的基礎。近年來,化學儲能領域對石墨烯的研究主要集中在氫能存儲、超級電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等4方面。研究的重點則集中在對石墨烯制備方法的探索,對石墨烯功能化的試驗研究以及基于石墨烯本身性質來研發結構完善的高性能石墨烯基儲能元件。

            儲氫方面。氫能源作為二次清潔能源是能源發展計劃中不可或缺的新能源之一。其具有損耗少、無污染、回收利用率高、且利用形式多樣等特點,被譽為21世紀的綠色能源。利用特殊材料吸附氫是一種新型的儲氫方法,研究結果表明,目前已使用的活性炭、富勒烯以及碳納米纖維等碳材料的儲氫能力均未達到理想的狀態,而作為sp2雜化碳基本構成單元的石墨烯自問世以來,就展現出相對于其他碳材料更為優異的儲氫性能,國內外學者也因此積極探索石墨烯及其復合結構在儲氫方面的潛能。Chen等結合鈀納米顆粒與石墨烯材料,制成二維石墨烯納米片,與活性炭材料混合后生成一種全新的儲氫材料。研究結果表明,該儲氫材料的儲氫量在壓力為10 MPa 狀態下可以達到0.82%(質量分數),相較于單純的鈀納米材料提升了近49%,該材料不僅存儲性能良好且吸附性的可逆程度較高。

            超級電容器方面。超級電容器又可稱為雙電層電容器,是一種新型儲能器件,具有充放電效率高、綠色環保、安全可靠、以及循環可逆性等優點,可以廣泛應用于移動通訊、計算機技術、航空航天和國防科技等領域。因此其獨立支撐的電極必須具備力學強度高和電容大的特質。相對于其他碳材料,石墨烯的電導率高、比表面積大、且化學結構穩定,更加適合作為超級電容器電極材料。目前大多數研究觀點認為高溫環境是化學法還原氧化石墨烯的必要條件,但Lü等在真空環境中、并在200℃這一遠低于理論臨界剝離溫度的條件下成功制得了石墨烯。相比高溫法制得的石墨烯,通過這種方法制出的石墨烯,其比容量更高,達到了279 F/g。

            然而,當前對石墨烯、金屬氧化物以及導電聚合物復合材料的研究仍限于實驗室內,還未解決如何規;苽滟|量良好的石墨烯及其復合材料的問題,對基于石墨烯的超級電容器的體積比性能的研究也較欠缺。

            鋰離子電池方面。鋰離子電池通過鋰離子在正負兩極之間的移動來進行工作,因此電池正極材料的導電性能則會密切關系到鋰離子電池的能量密度和功率性能。實際上,大部分電極材料的比容量都與理論上可達到的比容量相距甚遠,尤其是在大電流充放電時,電極材料的比容量會大幅下降。石墨烯材料因具備優異的電子導電性,被應用到鋰電子電池的研究中。石墨烯層應用于電池的正極材料中,不僅可以減少電池的界面電阻,便于鋰離子在電池的正負兩極間傳導,還有助于減慢金屬氧化物溶解相變的速度,從而保證鋰電池的電極在電循環周期中保持結構。Wang等采用三元共組裝法,將氧化錫與石墨烯整合在一起,與表面活性劑多元協同,制備出三元有序納米復合材料(見圖1),該材料用于電極的比容量可達到760 mA?h/g,且該材料是一種良好的緩沖材料,利于提高鋰離子電池電極材料的循環穩定性。

           

            鋰-空氣電池方面。鋰-空氣電池作為理想的高比能量化學電源,成為近年來的研究熱點。目前,石墨烯在鋰-空氣電池研究應用中,顯示出突出的優越性,其不僅可以構成電池的正極材料, 更表現出可觀的催化活性。在鋰-空氣電池中,石墨烯作為催化劑或催化劑基底展示出其潛在的優勢,可以提高催化效率,并且不斷提高鋰-空氣電池的循環性能,其比表面積巨大以及多孔體系的特性提升了鋰-空氣電池的放電容量。Sun 等在電解質為烷基碳酸酯的鋰空氣電池中,將石墨納米片(NGS)作為陰極催化劑,證明了與Vulcan XC-72碳電極相比,NGS電極的循環性能更好、過電位更低。Zhang等制備出一種空氣電極為石墨烯泡沫的鋰空氣電池,實驗表明在鋰-空氣電池中電流循環20 次的情況下,其循環效率只損失了20%,并且其放電電壓穩定在2.8 V。電化學分析石墨烯在電化學分析中主要應用在基于目標分子直接電化學的分析檢測和用作生物電分析中的載體材料和基于石墨烯的光透電極等方面。

            目標分子直接電化學分析;谀繕朔肿又苯与娀瘜W分析檢測的目標物包括:無機小分子,有機小分子,以及氧化還原蛋白質和核酸等生物大分子,如DNA 和血紅蛋白等。石墨烯上可吸附蛋白質的特性使得石墨烯是研究蛋白質電子轉移的理想材料。如Zhou等以化學還原的石墨烯氧化物修飾的玻璃碳電極(CR-GO/GC)作為新的電極體系,提出了電化學傳感和生物傳感的新型實驗平臺。Zuo等研究了石墨烯氧化物(GO)修飾電極上細胞色素C、肌紅蛋白和辣根過氧化物酶(HRP)等3種金屬蛋白的直接電化學行為,發現GO可促進其電子轉移動力學,而且其生物活性幾乎不受影響。

            生物電分析中的載體材料/細菌電極的載體材料。酶電極是重要的生物分析方法之一。GO表面的缺陷和含氧基團具有化學和電化學反應活性,可化學鍵合固定生物大分子用于研制生物傳感器;谑┎牧系姆枪矁r固定法用于生物傳感研究也有很多例子;免疫傳感是生物親和傳感的重要類別,在生物分析中占有重要地位;氧化石墨烯材料研制了三明治型免疫傳感器,該傳感器優異的性能是因為石墨烯具有快速的電子轉移速度和大的比表面積。

            基于石墨烯的光透電極。常規光透電極主要是銦錫氧化物鍍膜的石英和普通玻璃,主要用于LCD、有機發光二極管(OLED)、觸摸屏和太陽能電池電極等。銦錫氧化物玻璃主要存在以下問題:銦價格昂貴且儲量少、銦錫氧化物鍍層脆弱且常需真空環境制膜、玻璃基底缺乏柔韌性,限制了銦錫氧化物光透電極的應用。而原子級厚度石墨烯因透光性好、導電性高、機械強度大、制備成本低,是制作光透電極的可選材料,尤其是制作柔性光透電極的理想材料;谑┎牧系墓馔鸽姌O可用于染料敏化太陽能電池中。Wang等將氧化石墨烯化學還原后制得石墨烯光透膜電極,電極電導率達550S/cm,在1 000~3 000nm 波長下透光率大于70%,雖然這種材料的透光性比氧化銦低,但產生的電流密度比氧化銦高,同時具有較高的化學和熱穩定性。

            石墨烯的生物安全性石墨烯與其他納米材料相似,其復合材料的生物安全性一直是人們關注的焦點之一。下文主要探討總結了對石墨烯及其衍生物的細胞毒性、動物毒性以及微生物抗菌性的研究。

            對細胞毒性方面的研究。對石墨烯及其復合材料的細胞毒性的分析研究有助于判斷其生物安全性程度。中國科學院上海應用物理研究所的黃慶課題組一直關注對石墨烯細胞毒性的研究,并已經發表了一系列的研究成果著作。課題組通過大量實驗,發現細胞在與不同濃度下的石墨烯氧化物(GO)納米片層進行混合后,只表現出了細胞活性的升降,細胞并未因GO濃度的不同而死亡,可見GO具有良好的生物相容性。另一方面,相同濃度的GO和還原型石墨烯氧化物(rGO)則表現出了不同的細胞毒性,而不同氧化程度的石墨烯其細胞毒性也隨之不同。Hu等人研究發現,由于GO材料具有良好的吸附性,可以吸附細胞培養基中的蛋白形成包覆層,抑制其與細胞膜的相互作用,以減少GO的細胞毒性。有其他研究則顯示出了GO的尺寸大小會對其細胞毒性有較大的影響,即尺寸越小的GO,其細胞毒性也越小。目前,有少數研究者認為GO對細胞的毒性很可能來源于材料與細胞膜之間的相互作用,但學界尚未對石墨烯材料和細胞膜相互作用的方式和機制進行深入研究。隨著石墨烯及其復合材料被作為載藥材料的現象越來越多,研究者也開始廣泛關注其材料自身和血液的相互兼容性。

            對動物毒性方面的研究。石墨烯及其復合材料的動物毒性是學界的研究焦點之一。已經有研究發現了GO對哺乳動物的肺臟器官具有毒性;但同時也有研究表明,通過對GO的修飾可以在某種程度上避免其對哺乳動物的肺產生毒性。除此之外,一些學者還分析研究了產生動物毒性的相關因素,Zhang等人則對比了不同條件下GO的動物毒性,并綜合GO的動物毒性與其在細胞內部的電子傳遞過程進行研究。在正常環境里,機體內部的過氧化氫(H2O2)有限,且細胞色素c作為生物氧化過程中的電子傳遞體,已經附著在細胞線粒體內壁上,而GO催化出的少量H2O2并不會引發細胞色素c的泄露,誘導細胞凋亡。但在氧化應激環境中,由于生物體內的電子傳遞過程,GO可將大量電子傳遞給氧分子,生成了大量H2O2,在細胞內部累積到一定程度后,引起細胞色素c泄露,細胞最終也無法避免凋亡的結果。

            對微生物抗菌性方面的研究。石墨烯及其衍生物不僅具有良好的生物相容性,還在與微生物的相互作用中展示出突出的抗菌性。黃慶課題組于2010年第一次揭示了石墨烯材料的抗菌性能,實驗數據證明,在摻雜石墨烯納米液的培養基中,大腸桿菌的存活率僅有約10%。目前,對石墨烯及其復合材料的抗菌性研究主要聚焦在以下2方面:一方面,由于石墨烯的多環芳香烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAH)結構具有優異的化學修飾功能,學界一直致力于將石墨烯應用于制造抗菌材料,探究出能夠規;苽湫滦蛷秃霞{米抗菌材料的方法。另一方面,研究人員則通過對比不同氧化程度的石墨烯的抗菌性,深入探索分析石墨烯材料的抗菌原理和作用機制,以期能夠為最大程度實現石墨烯的抗菌功能提供參考。

            結語石墨烯材料的發現意義非凡,甚至預示著新一輪碳化學革命的興起,引發了科學家極大的研究興趣。石墨烯具備良好的導電導熱性、光透性、抗菌性,且比表面積大等特點,在儲能、電化學分析等方面都表現出了良好的應用前景,值得學界繼續關注研究。然而,石墨烯在市場化和產品化的過程中還存在許多有待解決的問題,石墨烯的工業生產迄今仍未實現,其規;闹苽、功能化的用途還需深入探究,科學家們應對石墨烯進行系統化研究,以促進石墨烯各方面性能的進步,推動其產品化、商業化的進程。

            原文刊載于《新材料產業》2014年第12期。

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