1.5　石墨烯的应用

石墨烯众多优异的性能引起了科学家的极大关注，各种新应用层出不穷。据Web of Science数据库统计，自石墨烯发现以来，其相关学术文献逐年增加，至2018年底已达245 867篇（图1-11）。不同性质、结构的石墨烯基材料在多个领域发挥着突出的作用，本节主要从电子、能源、环境、催化、分离、医药卫生这六个方面对石墨烯的应用进展进行简单概述。

石墨烯出色的电子迁移率、热导率等性能使其在晶体管、集成电路和可穿戴电子器件等领域占有一席之地。石墨烯纳米带具有带隙和高载流子迁移率，可以在二氧化硅基底上制备石墨烯纳米带的场效应晶体管（Chen，2008）。随着人们对器件设备的需求发生变化，便携式电子产品领域受到了广泛的关注。Bao等利用石墨烯/碳纳米管的优异性能，开发出一种结晶的非晶半导体聚合物薄膜，电子迁移率高达1.3cm ² ·V ^-1 ·s ^-1 ，并且在拉伸条件下仍然具有良好的电性能 ^[23] 。晶体管安装在人体手臂上，经过各种常规运动后，仍能保持较高的电荷载流子迁移率。清华大学的Ren课题组开发了一种基于石墨烯的智能人工喉而发出声音 ^[24] 。人工喉的材料是多孔石墨烯，其高热导率和低热容率可以发出100 Hz～40 kHz的广谱声。并且石墨烯的多孔结构还可以捕获喉部深处的微妙振动，通过压电电阻效应成功地接收声音信号。此外，由于强韧而富有弹性的石墨烯网状结构，石墨烯气凝胶具有超弹性、优异的循环性和高导电性，因此可用来制作可穿戴的压力传感器。附着在手腕和手指上的传感器在不同频率的弯曲过程中显示出稳定的电流信号，甚至可以用来检测人体的脉搏跳动的微弱力，可以作为监测人体运动的有前景的可穿戴设备（Li，2018）。

随着生产生活对能源的需求日益增加，能源转化和存储成为关键问题。石墨烯具有独特且优异的电化学性能，在能量存储与转化方面，特别是光伏器件、太阳能电池、燃料电池、驱动器和超级电容器等方面具有很大的应用前景。在光伏器件中，由于石墨烯的高透明度与高导电性，可以用作透明导电膜和对电极（Luo，2012）。在燃料电池方面，改性石墨烯可同时作为氧气还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）催化剂和负载催化剂的载体发挥重要作用。另外，石墨烯在各种新型二次电池中有着广泛的应用。例如在锂离子电池中，石墨作为传统的负极材料，理论比容量仅为372 mAh·g ^-1 （Martinet，2016）。而三维石墨烯具有高导电性和较大的比表面积，可以与其他活性物质形成复合材料以提升整个器件的性能。

此外，石墨烯高比表面积和导电特性非常适合电容器的应用。以三维石墨烯为例，网络结构的形成可以有效地防止石墨烯片堆叠而具有高比表面积。此外相互连接的多孔石墨烯结构可以实现快速的电子和离子传输。这些特点都使得石墨烯在超级电容器领域发挥重要的作用。如图1-12所示，聚吡咯-石墨烯泡沫作为电极材料组装的可压缩超级电容器，具有良好的稳定性 ^[25] 。

（a）聚吡咯-石墨烯泡沫的压缩及恢复过程；（b）基于聚吡咯-石墨烯泡沫的超级电容器可压缩性能测试装置；（c）多次压缩过程中电容的变化趋势

除了能源领域外，石墨烯也在环境领域发挥着重要的作用，主要应用于水中污染物的吸附、检测水性重金属离子、光催化降解环境污染物、催化产氢和水分解这几个方面。石墨烯能够通过物理化学作用吸附水中的杂质，从而达到净化水的目的。与活性炭和其他碳同素异形体一样，石墨烯因其大的比表面积而成为水性污染物的优良吸附剂，特别是氧化石墨烯中含有羧基、羟基等官能团，通过静电或配位相互作用结合金属阳离子从而对包括小分子、重金属离子、染料、农药及芳香族污染物在内的众多污染物进行吸附。

近年来随着石墨烯技术的发展，使用非金属的碳材料代替金属负载的催化剂已经取得了巨大的进展。石墨烯大的比表面积使其成为优秀的二维催化剂载体，局部共轭结构使其作为催化剂具有更强的吸附能力，优异的热、电等性能增加了催化剂的寿命。石墨烯材料作为催化剂可以催化有机、偶联、电化学、光化学等多种反应，但本征石墨烯是零带隙结构，因此催化效率较低。然而，氧化石墨烯和还原氧化石墨烯由于具有大量的含氧官能团，不仅可以高效地催化各种有机反应，并且也可以通过过滤的方法除去。例如，氧化石墨烯能够以高产率（>92％）和良好的选择性催化从苄醇到苯甲醛的氧化反应。此外，石墨烯与纳米金属离子复合可以催化典型的偶联反应。例如，金和氧化石墨烯纳米复合材料作为催化剂，对氯苯与芳基硼酸的Suzuki-Miyaura偶联反应表现出异常高的催化活性（产率高达98％）（Zhang，2011）。除此之外，石墨烯还可以作为催化剂催化电化学反应，比如在燃料电池中（如氢气/氧气或甲醇/氧气电池），含氮石墨烯（ N -石墨烯）可以催化氢气电化学转化为水或催化甲醇转化为水和二氧化碳，为含金属光催化剂提供了合适的替代品（Yeh，2010）。目前，石墨烯基催化剂已广泛应用于污染物的光降解、光催化析氢和光催化消毒。众所周知，二氧化钛是光催化的优秀催化剂，将二氧化钛和石墨烯相结合，得到的新材料具有更好的催化性能（Li，2011）。例如，二氧化钛和氧化石墨烯或者氧化石墨烯的纳米复合材料可作为rGO和亚甲基蓝（MB）、苯、甲基橙（MO）、罗丹明B（RhB）降解反应的高性能光催化剂。尽管石墨烯作为催化剂有众多的优势，但是仍然存在一定的问题，例如催化机理不明确、石墨烯片层间易发生堆叠、复合催化剂中纳米粒子尺寸不可控等问题。在今后的研究中解决了这些问题，将会极大地推动石墨烯催化工业的发展。

石墨烯在分离领域也发挥重要作用。石墨烯仅有一个原子厚度，具有优秀的机械强度和化学稳定性等，使其成为特定离子分离的重要工具，主要表现在脱盐、脱水、毒物排斥等几个方面。以二维的石墨烯膜为例，Huang等采用真空抽吸法在陶瓷中空纤维上制备氧化石墨烯膜，通过渗透蒸发法将水与碳酸二甲酯的混合物进行了分离 ^[26] 。此外，单层独立石墨烯中的纳米级孔可以有效地将盐与水分离，用于海水淡化系统 ^[27] 。Rollings等通过电脉冲方法产生的直径为20 nm的石墨烯纳米孔优先允许阳离子通过，选择性超过100％，证明了石墨烯纳米孔的离子选择性 ^[28] 。

石墨烯同时具有较好的生物相容性，在医药卫生方面也发挥着重要的作用，主要应用于构建新型纳米载体和生物成像两个方面。单层石墨烯显示出超高的表面积，已被广泛用于构建药物和基因传递的新型纳米载体。在纳米石墨烯的表面上生长各种无机纳米粒子，得到具有优异的光学和磁学特性的功能性石墨烯基纳米复合材料，其可用于多模态成像和成像引导的癌症治疗 ^[29] 。在过去的十年中，基于纳米粒子的药物传递系统已被广泛用于研究治疗癌症，大大提高了治疗效率，同时减少了传递过程中带来的毒副作用。此外，石墨烯优异的光学性质不仅可以用作药物和基因传递的载体，还可以用于生物医学成像。具有强荧光的半导体量子点可以和水溶性多肽功能化的还原氧化石墨烯结合，获得的纳米复合材料可以很好地保留量子点的荧光，可用于细胞成像 ^[30] 。与目前在纳米医学中的其他无机纳米材料相比，石墨烯可以大规模制备，成本低，具有超高表面积，可用于药物装载和生物共轭，并且具有在生物医学成像和光疗法中卓越的光学性质。在生物学和临床医学在内的各个生物医学领域，石墨烯将推动包括癌症治疗等在内的各方面发展 ^[31] 。 M4BKpukBDG2nKYS/c29T91VfKJb/yX3MOMJs4IbEHkGHEAvyz1go6LM5rlfgx6D6