山东南墅石墨矿是中国重要的石墨矿之一。近年来,受世界石墨行业普遍不景气影响,山东南墅石墨矿于2015年12月破产闭坑。重新振兴研究区的石墨产业,急需一种新的能够提高矿区石墨资源经济价值的资源开发利用模式;石墨烯是一种价格昂贵、性质优良的新型碳纳米材料,石墨是其制备的原材料,如果把研究区内的石墨转化为石墨烯,将会极大的提高研究区内石墨矿的潜在经济价值,有可能挽救已经倒闭的矿山企业。研究区位于胶东半岛西部,出露地层主要为古元古界荆山群和第四系地层;区内构造较为发育,主要分为褶皱构造、断裂构造和节理构造;区内变质作用以区域变质作用为主,混合岩化-花岗岩化作用较强。区内石墨矿主要产出于古元古界荆山群陡崖组徐村段,矿床分布受地层、变质岩、区域变质作用及构造的影响,富碳酸建造的粘土-半粘土质岩层是找矿的主要标志;研究区石墨矿床主要是在浅海带较稳定的沉积环境中,由富含有机质的陆源碎屑沉积,经区域变质作用,并在混合岩化作用的叠加作用之下形成的,属沉积变质型矿床。研究区内主要包含刘家庄石墨矿和岳石石墨矿,通过资源储量核查,共查明全区石墨矿石资源储量总计75270千吨,传统经营模式下,潜在经济价值为81.40亿元,若用球磨法和电化学方法将石墨转化为石墨烯,其潜在经济价值将达到1184044亿元,提高了14546倍。为验证将研究区石墨制备为石墨烯的可行性,分别选取刘家庄和岳石矿区晶质石墨矿作为样品,进行球磨法和电化学方法制备石墨烯的实验,并对制备的石墨烯材料进行了拉曼图谱、透射电镜、X-射线衍射、红外光谱等表征。结果表明:两种方法均制备出了粒径均匀、比表面积大的高品质石墨烯材料;两个矿区样品用同一种方法制备的石墨烯表征结果相近,表明两个矿区的晶质石墨矿均可制得高品质的石墨烯。为验证本研究所得石墨烯具有良好的应用价值,本文进行了石墨烯在电化学发光传感器检测中的应用实验、石墨烯量子点在金属离子检测、污水处理、细胞成像中的应用研究。结果表明:用球磨法制备石墨烯,可为进一步制备为石墨烯量子点提供绿色环保的碳源,可成功应用于自来水中铁离子的检测、污水处理及细胞成像研究;电化学方法制备的石墨烯,应用于电化学发光传感器的制备,可成功地实现对三丙胺和药物四环素的检测,方法简单、经济实用,充分证明了本区石墨制备的石墨烯具有巨大应用潜力和经济价值。总之,本文通过对研究区地质特征的深入研究,估算出研究区内石墨资源的资源储量,计算出现有经营模式下的潜在经济价值,通过将石墨制备为石墨烯来提高其潜在经济价值,并用不同的实验方法来验证石墨烯的制备和应用的可行性。实验结果表明,本区的晶质石墨矿完全可以制备性质优良的石墨烯,并且实验结果表明所制备的石墨烯具有良好的应用效果;通过本文研究将石墨制备为石墨烯来提高研究区石墨资源潜在经济价值的模式是可行的。本研究所得成果,可为研究区地质勘查与开发提供理论依据,可作为矿山企业发展和区域经济发展战略决策的依据,应用本文成果,将为重振本区矿山企业和区域经济发挥重要作用。本文创新点主要有以下方面:创新点一:通过对研究区地质特征及矿床、矿石特征的深入研究,估算出资源储量及潜在经济价值,通过将区内石墨转化为石墨烯,建立能极大提升研究区石墨资源潜在经济价值的资源开发新模式,并用实验验证了其制备和应用的可行性,创立研究区石墨资源产学研一体化研究的新模式。创新点二:本研究选用研究区石墨作为原材料,分别用优化的球磨法和电化学方法制备出了高品质石墨烯材料。球磨法采用成本低廉、无毒的干冰作为湿介质,制备出了粒径均匀、比表面积大的高品质石墨烯,本技术克服了现有技术存在的耗能大、效率低、成本高、污染环境等诸多缺点,所需仪器设备要求不高、制备过程绿色环保;电化学方法选用芘功能化的聚丙烯酸(PAA)作为辅助剥离介质,仪器设备简单、操作简便、条件温和,实现了PAA功能化的、具有良好石墨晶格结构的、分散性良好的少层石墨烯材料的一步法制备,PAA的添加提高了石墨烯的分散性,同时实现了石墨烯的功能化,大大拓展了所制备石墨烯的应用潜力和价值。这两种方法为探索稳定可靠的将研究区石墨转化为经济价值高的产品提供了新思路。创新点三:本研究采用电化学方法制备得到的PAA功能化石墨烯(PAAG),与全氟化离子键聚合物(Nafion)形成复合物离子交换膜,制备得到PAAG/Ru修饰的电化学发光传感器。PAAG的使用一方面由于石墨烯的存在极大地提高了传感器的电导率,同时基于带正电的电化学发光探针和带负电的PAA之间的静电吸附作用,极大地提高了探针的吸附量,使制得的传感器高效、稳定,可实现对三丙胺和药物四环素的灵敏检测,同时具有长期稳定性良好、操作简单、经济低耗的特点。充分证实了通过一步电化学方法制备的功能化石墨烯具有巨大应用价值。创新点四:本研究选用球磨法制备的石墨烯作为碳源前驱体,通过一步水热法成功制备出了分散性良好、平均尺寸为4.8 nm的石墨烯量子点。该方法具有绿色环保、工艺简单、成本低等优势。所制备的石墨烯量子点可用于自来水中铁离子的特异性灵敏检测及去除;基于其低毒性和优良的生物相容性,所制备的石墨烯量子点被成功应用于细胞成像研究。本研究为碳纳米材料的制备提供了一种新途径,也进一步深化了石墨烯量子点在生化分析、除污、成像等方面的研究。