系統(tǒng)地闡述了石墨烯的制備方法，包括機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法和電弧放電法等，概括介紹了石墨烯近年來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域、未來(lái)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

1、前言

　　近年來(lái)，石墨烯作為碳納米材料科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域，憑借其特殊的晶體結(jié)構(gòu)性能引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注和研究，從1924年科學(xué)家們確定了石墨及金剛石的結(jié)構(gòu)，到1985年發(fā)現(xiàn)的零維富勒烯以及1991年發(fā)現(xiàn)的一維碳納米管，再到2004 年AndreK. Geim 研究小組首次成功獲得的石墨烯，使得碳材料形成了從零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯到三維金剛石和石墨的完整體系。石墨烯是由碳原子以sp² 雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯環(huán)，理論厚度僅為0.34nm，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，被認(rèn)為是構(gòu)建石墨、富勒烯和碳納米管和石墨的基本結(jié)構(gòu)單元，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，力學(xué)性能，較高的電子遷移率，較高的比表面積和量子霍爾效應(yīng)等性質(zhì)。正是由于這些特殊而優(yōu)異的物化性能，使得石墨烯在微電子、物理、能源材料、化學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域體現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景，引領(lǐng)了21世紀(jì)新的技術(shù)革命。

2、石墨烯的制備

　　近年來(lái)，人們?cè)谑�墨烯制備方面取得了很大的進(jìn)展，先后利用了機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、電弧放電法等制備出結(jié)構(gòu)較為完整的石墨烯，這將為石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。

2.1、機(jī)械剝離法

　　2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre K.Geim 研究小組用微機(jī)械剝離法成功地制備出單層石墨烯。利用氧離子束刻蝕高定向熱解石墨表面，將其固定在含有光致抗蝕劑的SiO2 /Si 基底上進(jìn)行焙燒，然后用膠帶反復(fù)撕揭，除去多余石墨后，再將粘有石墨烯薄片的SiO2/Si 基底浸入丙酮溶液中超聲，最后得到吸附在硅晶片上的單層石墨烯。通過(guò)這種方法可以獲得晶體結(jié)構(gòu)比較完整的石墨烯; Schleberger等將常用的SiO₂基底換為T(mén)iO₂，Al2O3等絕緣晶體基底，制得了單層厚度僅為0.34nm 的石墨烯。機(jī)械剝離法是一種簡(jiǎn)單制備石墨烯的方法，但其在大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域卻具存在較大的局限性。

2.2、化學(xué)氣相沉積法

　　化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成一種新物質(zhì)沉積到襯底表面。用CVD 法制備石墨烯是將高溫不易分解的平面基底置于能夠分解的前驅(qū)體氣氛中，通過(guò)高溫灼燒，退火，冷卻使得碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學(xué)腐蝕法除去金屬基底，得到獨(dú)立的石墨烯。Kim等在Si 基底上放置一層厚度為100 ～ 500nm 的Ni，然后將其置于水平管式爐中，通入甲烷、氫氣和氬氣的混合氣流，升溫至1000℃，待反應(yīng)一段時(shí)間后再將其冷卻至室溫，在Ni 層表面沉積出6 ～ 10層的石墨烯; 雖然CVD法能滿(mǎn)足規(guī)�；�制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯要求，但在現(xiàn)階段由于其成本較高和工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了這種方法在石墨烯制備中的應(yīng)用。

2.3、氧化石墨還原法

　　氧化石墨還原法是當(dāng)前制備石墨烯最常用的方法之一，其主要原理是在強(qiáng)氧化劑作用下擴(kuò)張石墨層間距，形成片層或邊緣帶有羰基、羧基、羥基等基團(tuán)的氧化石墨，經(jīng)在水溶液或有機(jī)溶劑中超聲處理后形成均勻分散的單層氧化石墨烯，再利用還原劑還原氧化基團(tuán)制得石墨烯。氧化石墨的制備方法通常有Brodie法、Standenmaier法和Hummers 方法。還原氧化石墨烯時(shí)，常用的還原劑有水合肼、NaBH4、純肼(不含水)、強(qiáng)堿(KOH、NaOH)超聲還原、熱剝離Sasha Stankovich等用水合肼直接還原氧化石墨烯溶液得到石墨烯。Li等通過(guò)水合肼還原氧化石墨得到石墨烯的氨水分散液，對(duì)其減壓抽濾得到石墨烯薄膜。通過(guò)水合肼還原法制備的石墨烯晶形良好，但基于還原反應(yīng)的強(qiáng)毒性和腐蝕性，在一定程度上可能會(huì)造成石墨烯某些性能的損失。

3、石墨烯的應(yīng)用

　　由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，故其在傳感器、聚合物納米復(fù)合材料、光電功能材料、藥物控制釋放等領(lǐng)域表現(xiàn)出眾多潛在的應(yīng)用前景。

3.1、傳感器

　　在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器具有突出的地位，早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、生物工程以及文物保護(hù)等領(lǐng)域。由于石墨烯擁有較大的比表面積，使其具備了制作高靈敏度傳感器的必要因素，但是迄今為止，關(guān)于石墨烯應(yīng)用于生物傳感器方面的報(bào)道比較少，因此，很有必要說(shuō)明一下石墨烯在生物傳感器中的應(yīng)用，將NO2、NH3、H2O，CO等氣體吸附石墨烯表面，然后用電傳感檢測(cè)器檢測(cè)石墨烯表面電阻的變化來(lái)說(shuō)明石墨烯的感知能力。Robinson 等利用石墨烯制作的電子氣體傳感器可將檢測(cè)限降至70ppb，低于2×106ppb 和5×104ppb( JCAD 和CDC 檢測(cè)限要求) 。這種氣體傳感器的性能優(yōu)于使用單壁碳納米管制作的傳感器，且還可被用于探測(cè)器。Schedin 等檢測(cè)單分子層石墨烯對(duì)氣體的吸附，檢測(cè)結(jié)果表明: NO2和H2O 可作電子受體吸附到石墨烯表面，有效增加石墨烯的導(dǎo)電性; NH3和CO 被作電子給體吸附到石墨烯表面能減小石墨烯的導(dǎo)電性。

3.2、聚合物納米復(fù)合材料

　　由于石墨烯的疏水疏油性，其直接被用于制備石墨烯納米復(fù)合材料比較困難。現(xiàn)階段人們制備的石墨烯納米復(fù)合材料是先將氧化石墨與其他納米材料復(fù)合，然后通過(guò)還原得到石墨烯納米復(fù)合材料。石墨烯聚合物復(fù)合材料是石墨烯實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要方向。Ruoff 等制備了石墨烯-聚苯乙烯導(dǎo)電復(fù)合材料，先將苯基異氰酸酯功能化的石墨烯均勻分散在聚苯乙烯基體中，利用二甲肼還原恢復(fù)石墨烯的本征導(dǎo)電性，結(jié)果表明其臨界導(dǎo)電含量?jī)H為0.1%。Chen 等制備了磺酸基以及異氰酸酯功能化的石墨烯與熱塑性聚氨酯(TPU)的復(fù)合材料，并研究了該材料在紅外光觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器件(Infrared- Triggered Actuators) 中的應(yīng)用。Verdejo等將氧化石墨與有機(jī)硅納米顆粒進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)高溫?zé)徇�原制得石墨烯泡沫有機(jī)硅納米復(fù)合材料，該材料與泡沫有機(jī)硅相比，前者的起始分解溫度與熱分解終止溫度都有得到提高，熱降解速率有所下降。

3.3、光電功能材料

　　石墨烯具有較大的偶極矩和π 體系等結(jié)構(gòu)特征，能被用作優(yōu)良的非線(xiàn)性光學(xué)材料和新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)材料，如石墨烯可代替銦錫氧物(ITO) 作為太陽(yáng)能電池的電極材料。Becerril 等將氧化石墨烯涂到石英表面進(jìn)行熱還原處理，使其電導(dǎo)率變?yōu)?0²S·cm^-1，可用作太陽(yáng)能電池的電極。Chhowalla 等將真空抽濾得到的氧化石墨烯薄膜還原為石墨烯薄膜，可制備厚度約為2nm 的薄膜晶體管，檢測(cè)結(jié)果顯示常壓下該薄膜的最低電阻率為43kΩ/m，空穴遷移率為1cm²·v^-1·s^-1，電子遷移率為0.2cm²·v^-1·s^-1 ; Li 等制備的功能化石墨烯納米帶，其寬度在10 ～ 50nm 之間，而且具有多種形態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)寬度<10nm 時(shí)，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)比可以達(dá)到10⁷; Becerril 等將氧化石墨烯涂到石英表面進(jìn)行熱還原處理，使其電導(dǎo)率變?yōu)?0²S·cm ^-1，可用作太陽(yáng)能電池的電極。

3.4、藥物控制釋放

　　截止現(xiàn)今，許多芳香族化合物都不易溶于水，故不能被廣泛應(yīng)用于疾病治療，而石墨烯的獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性使其能被很好地作為藥物載體。Liu Z等將聚乙二醇功能化的石墨烯與抗腫瘤藥物SN38 反應(yīng)制得NGO-PEGSN38 復(fù)合物，該復(fù)合物在人體內(nèi)能緩慢釋放SN38，成功達(dá)到了藥物的控制釋放，實(shí)現(xiàn)疾病治療的目的，從而開(kāi)啟了石墨烯在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究先河。Yang等將抗腫瘤藥物阿霉素(DXR)高效負(fù)載在石墨烯上，研究了石墨烯對(duì)阿霉素(DXR) 的藥物控制釋放作用，研究結(jié)果表明當(dāng)DXR 濃度為0.47mg/mL時(shí)，負(fù)載量達(dá)到2.35mg/mg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的藥物載體，如高分子膠束，水凝膠微顆粒和脂質(zhì)體等。

3.5、儲(chǔ)氫材料

　　隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷進(jìn)步，其生產(chǎn)所需的化石燃料的儲(chǔ)量正日益減少，工業(yè)污染物對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存生態(tài)系統(tǒng)造成了極大的危害，因此，尋找新型能源迫在眉睫，而氫能由于其廣泛的來(lái)源、無(wú)污染、能量密度高等優(yōu)勢(shì)成為了21世紀(jì)新型綠色無(wú)污染能源。石墨烯作為一類(lèi)新型的儲(chǔ)氫材料，具有很多的優(yōu)點(diǎn):較大的比表面積：氣體吸附機(jī)理多為物理吸附，可以在室溫、安全壓力下快速可逆地吸放氫氣，較高的熱穩(wěn)定性。Rao等研究了3～4層厚度的石墨烯對(duì)氫氣的吸附性能，其研究結(jié)果表明：H2在100bar，298K 條件下，吸附量可達(dá)3.1wt%，如果采用單層石墨烯，其H2理論吸附量可達(dá)7.7wt%。

4、結(jié)論

　　石墨烯由于其獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能和良好的發(fā)展前景，已引起了人們的廣泛關(guān)注，成為現(xiàn)今材料、化學(xué)、物理等諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著研究的不斷深入，石墨烯的潛在價(jià)值正在逐步被發(fā)掘，制備方法也由最初的機(jī)械剝離法發(fā)展到現(xiàn)在的化學(xué)合成法，工藝過(guò)程越來(lái)越易實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如傳感器、光電功能材料、藥物控制釋放、儲(chǔ)氫材料等。因此，何大規(guī)模、高質(zhì)量、低成本的制備石墨烯并且控制其生長(zhǎng)區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)石墨烯的圖案化生長(zhǎng)將是未來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

　　綜上所述，從2004年被發(fā)現(xiàn)至今，石墨烯無(wú)論是其理論研究還是實(shí)驗(yàn)研究，都取得了顯著的突破，體現(xiàn)了重大的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，使得人們對(duì)這一新型碳材料的本征結(jié)構(gòu)和性質(zhì)得到了更為深刻的理解，制備出一系列基于石墨烯改性后性能優(yōu)越的新型材料，從而為實(shí)現(xiàn)石墨烯的實(shí)用價(jià)值奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。