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摘 要：石墨烯作为目前最坚固的纳米材料，以其优异的性能和独特的结构成为材料领域的研究热点。本文简要介绍了石墨烯的特性及石墨烯的制备方法和应用领域，以期为专业人士提供借鉴。
关键词：石墨烯；材料；研究进展
自2004年，Geim等人通过简单的机械剥离法获得并观察到稳定的单层石墨烯后，开启了石墨烯理论和实验研究的新趋势。我国石墨资源较为丰富，但由于我国目前的生产水平和对石墨烯深加工技术较为落后的原因，导致石墨资源的附加值较低。因此，必须对石墨展开深入研究。虽然其历史较短，还处于实验室的理论研究阶段，但其特殊的结晶学和电化学性能的应用潜力是可以预见的。
一、石墨烯的特性
石墨烯是一种单原子层的晶体，具有超薄、超强和超导电性的特点。被科学界称为“黑金”。作为最薄、最坚固纳米的材料，石墨烯的强度是钢的100倍，可拉伸至自身尺寸的20%。石墨烯结构中的碳原子具有较强的相互作用力，即使石墨烯结构中的电子在轨道中运动时发生碰撞或引入晶格缺陷或外来原子，也不会有散射现象的发生，体现了石墨烯材料良好的导电性。除此之外，石墨烯还具有分数量子浓度霍尔效应、零载流子浓度限制下的最小量子电导率等特性。此外，由于石墨烯在室温下的量子霍尔效应提高了石墨烯的霍尔效应的温度范围，使得石墨烯具有优异的电学性能。
二、石墨烯的制备方法
（一）机械法
所谓的机械方法是指利用机械力将单个石墨烯从高度定向的热解石墨表面分离出来的一种制备方法。在高取向热解石墨表面刻蚀微槽，然后转移到玻璃基板上，微槽的厚度随着透镜带的反复撕裂而减小，从而在衬底上留下一些单原子层材料。然后将玻璃基板放入丙酮溶液中进行超声处理。最后，超声后将硅片加入溶液中得到石墨烯。在后来的发展中，也陆续出现了机械剥离法、机械压力法、滚动摩擦法等一些新的机械方法。通过机械法制备石墨烯就有操作过程简单、制备成本低、成品质量好等优点。其缺点是样本量无法控制，单件产量低，表面清洁度低。
（二）氧化还原法
疏水石墨层经过氧化后，表面存有大量的官能团，形成与许多聚合物基体具有良好相容性的氧化石墨。经过超声波处理后，很容易形成单一的氧化石墨片结构。基于石墨组与石墨烯平面结构的相似性，可以继续通过适当的还原方法去除石墨组表面的官能团最终得到石墨烯。通过氧化还原的方法制备石墨烯具有操作过程简便，生产成本低等优势。
（三）化学气相沉积法
将含有碳元素的气体反应物及其他反应所需的气体引入反应室中，在特定的活化条件下与衬底表面发生化学反应，形成石墨烯薄膜。常见的基材是金属，如镍、铜等。通过化学气相沉淀法制备石墨烯的优点是得到的成品单层面积大，晶体缺陷少，厚度易于控制。制备工艺简便，与现有的半导体制造技术兼容。缺点是反应气体在金属基板上的反应过程较为复杂，产品制备成本高，产率低。
三、石墨烯的应用
（一）锂离子电池
锂离子电池的定义是指一种锂离子浓度差的电池。其充放电过程为锂离子在电极中的“嵌入”和“沉淀”过程。因此，电极材料上的孔越多，充放电过程越快，电池效率越高。另一方面，石墨烯由碳原子单层网络构成，可以减少阳离子运动的限制。较高的表面积理论计算值和导电性可以有效提高电池效率，具有高可逆比容量和良好的循环性能，替代了现有的碳纳米纤维。
（二）导电薄层
石墨烯的另一种应用方式，即通过电子束蚀刻和干蚀刻技术的应用在石墨烯上制作导电通道、量子点、屏障和互连，形成SET线路，其功能主要是作为量子点和导线之间传导电子。通过库仑斥力阻止两个电子在同一个量子点上，利用电场作用于量子点附近的栅极，实现了集的开闭。
（三）催化剂
分散在石墨烯中的金属纳米粒子可以实现新的催化、磁性和光电性能。Okamoto等人基于DFT计算，认为石墨烯纳米薄片可能是一种新型的碳材料，可以用作提高铂在燃烧电池中的催化剂来提高铂的催化性能。1996年，Abraham等人报道了有机电解质体系的锂空气电池。它比传统的锂离子电池具有更高的能量密度。在接下来的研究进展中，钟煜等人通过以纳米氢氧化镍和石墨烯复合材料作为锂空气电极材料，并发现该电极材料具有良好的电化学性能。因此，石墨烯在制备高性能电池催化剂方面具有很高的实用价值。
（四）修饰电极
在电极修饰领域，石墨烯材料比碳纳米管具有优势。石墨烯碳纳米管以其优良的传感性能，被认为是制造固体气体传感器的关键材料。石墨烯材料在检测气体的过程中具有噪声信号较低的特点，可以准确对单个气体分子进行检测。因此，石墨烯材料的应用价值将在未来化学传感器和分子探针等领域中得到体现。
（五）石墨烯纳米卷
石墨烯纳米卷具有准一维结构，这使得石墨烯纳米过滤器改善了石墨烯材料的不可逆聚集。此外，卷曲是石墨烯能量降低的关键过程，所以石墨烯纳米卷可作为超级电容器或电池的电极材料。在石墨烯纳米线圈之间发生键合作用时，可调的层间距会影响石墨烯纳米线的电子传输和光学性能。因此，石墨烯纳滤成为石墨烯纳米材料的研究热点之一。
四、结论
石墨烯材料以其独特的结构和优异的电化学性能，引起了学术界的广泛关注。随着研究者对石墨烯的深入研究，石墨烯的制备技术也在不断完善。本文主要对石墨烯的应用进行分析，以期为今后石墨烯的广泛应用提供参考。
参考文献
[1]张璐.石墨烯材料的研究进展及应用[J].教育现代化，2018，5（36）：281-284.
[2]谢诗逸，王笛舟.锂离子电池用石墨烯碳材料的研究进展[J].科技经济导刊，2018，No.627（01）：72+105.
[3]李光彬，侯朝霞，王少洪，王美涵，胡小丹，周银.石墨烯复合材料的研究进展[J].兵器材料科學与工程，2014：128-132.
关键词：石墨烯；材料；研究进展
自2004年，Geim等人通过简单的机械剥离法获得并观察到稳定的单层石墨烯后，开启了石墨烯理论和实验研究的新趋势。我国石墨资源较为丰富，但由于我国目前的生产水平和对石墨烯深加工技术较为落后的原因，导致石墨资源的附加值较低。因此，必须对石墨展开深入研究。虽然其历史较短，还处于实验室的理论研究阶段，但其特殊的结晶学和电化学性能的应用潜力是可以预见的。
一、石墨烯的特性
石墨烯是一种单原子层的晶体，具有超薄、超强和超导电性的特点。被科学界称为“黑金”。作为最薄、最坚固纳米的材料，石墨烯的强度是钢的100倍，可拉伸至自身尺寸的20%。石墨烯结构中的碳原子具有较强的相互作用力，即使石墨烯结构中的电子在轨道中运动时发生碰撞或引入晶格缺陷或外来原子，也不会有散射现象的发生，体现了石墨烯材料良好的导电性。除此之外，石墨烯还具有分数量子浓度霍尔效应、零载流子浓度限制下的最小量子电导率等特性。此外，由于石墨烯在室温下的量子霍尔效应提高了石墨烯的霍尔效应的温度范围，使得石墨烯具有优异的电学性能。
二、石墨烯的制备方法
（一）机械法
所谓的机械方法是指利用机械力将单个石墨烯从高度定向的热解石墨表面分离出来的一种制备方法。在高取向热解石墨表面刻蚀微槽，然后转移到玻璃基板上，微槽的厚度随着透镜带的反复撕裂而减小，从而在衬底上留下一些单原子层材料。然后将玻璃基板放入丙酮溶液中进行超声处理。最后，超声后将硅片加入溶液中得到石墨烯。在后来的发展中，也陆续出现了机械剥离法、机械压力法、滚动摩擦法等一些新的机械方法。通过机械法制备石墨烯就有操作过程简单、制备成本低、成品质量好等优点。其缺点是样本量无法控制，单件产量低，表面清洁度低。
（二）氧化还原法
疏水石墨层经过氧化后，表面存有大量的官能团，形成与许多聚合物基体具有良好相容性的氧化石墨。经过超声波处理后，很容易形成单一的氧化石墨片结构。基于石墨组与石墨烯平面结构的相似性，可以继续通过适当的还原方法去除石墨组表面的官能团最终得到石墨烯。通过氧化还原的方法制备石墨烯具有操作过程简便，生产成本低等优势。
（三）化学气相沉积法
将含有碳元素的气体反应物及其他反应所需的气体引入反应室中，在特定的活化条件下与衬底表面发生化学反应，形成石墨烯薄膜。常见的基材是金属，如镍、铜等。通过化学气相沉淀法制备石墨烯的优点是得到的成品单层面积大，晶体缺陷少，厚度易于控制。制备工艺简便，与现有的半导体制造技术兼容。缺点是反应气体在金属基板上的反应过程较为复杂，产品制备成本高，产率低。
三、石墨烯的应用
（一）锂离子电池
锂离子电池的定义是指一种锂离子浓度差的电池。其充放电过程为锂离子在电极中的“嵌入”和“沉淀”过程。因此，电极材料上的孔越多，充放电过程越快，电池效率越高。另一方面，石墨烯由碳原子单层网络构成，可以减少阳离子运动的限制。较高的表面积理论计算值和导电性可以有效提高电池效率，具有高可逆比容量和良好的循环性能，替代了现有的碳纳米纤维。
（二）导电薄层
石墨烯的另一种应用方式，即通过电子束蚀刻和干蚀刻技术的应用在石墨烯上制作导电通道、量子点、屏障和互连，形成SET线路，其功能主要是作为量子点和导线之间传导电子。通过库仑斥力阻止两个电子在同一个量子点上，利用电场作用于量子点附近的栅极，实现了集的开闭。
（三）催化剂
分散在石墨烯中的金属纳米粒子可以实现新的催化、磁性和光电性能。Okamoto等人基于DFT计算，认为石墨烯纳米薄片可能是一种新型的碳材料，可以用作提高铂在燃烧电池中的催化剂来提高铂的催化性能。1996年，Abraham等人报道了有机电解质体系的锂空气电池。它比传统的锂离子电池具有更高的能量密度。在接下来的研究进展中，钟煜等人通过以纳米氢氧化镍和石墨烯复合材料作为锂空气电极材料，并发现该电极材料具有良好的电化学性能。因此，石墨烯在制备高性能电池催化剂方面具有很高的实用价值。
（四）修饰电极
在电极修饰领域，石墨烯材料比碳纳米管具有优势。石墨烯碳纳米管以其优良的传感性能，被认为是制造固体气体传感器的关键材料。石墨烯材料在检测气体的过程中具有噪声信号较低的特点，可以准确对单个气体分子进行检测。因此，石墨烯材料的应用价值将在未来化学传感器和分子探针等领域中得到体现。
（五）石墨烯纳米卷
石墨烯纳米卷具有准一维结构，这使得石墨烯纳米过滤器改善了石墨烯材料的不可逆聚集。此外，卷曲是石墨烯能量降低的关键过程，所以石墨烯纳米卷可作为超级电容器或电池的电极材料。在石墨烯纳米线圈之间发生键合作用时，可调的层间距会影响石墨烯纳米线的电子传输和光学性能。因此，石墨烯纳滤成为石墨烯纳米材料的研究热点之一。
四、结论
石墨烯材料以其独特的结构和优异的电化学性能，引起了学术界的广泛关注。随着研究者对石墨烯的深入研究，石墨烯的制备技术也在不断完善。本文主要对石墨烯的应用进行分析，以期为今后石墨烯的广泛应用提供参考。
参考文献
[1]张璐.石墨烯材料的研究进展及应用[J].教育现代化，2018，5（36）：281-284.
[2]谢诗逸，王笛舟.锂离子电池用石墨烯碳材料的研究进展[J].科技经济导刊，2018，No.627（01）：72+105.
[3]李光彬，侯朝霞，王少洪，王美涵，胡小丹，周银.石墨烯复合材料的研究进展[J].兵器材料科學与工程，2014：128-132.