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[摘 要]石墨烯以其优異的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文着重介绍了几种制备石墨烯的方法，分析其优缺点，为规模化制备高质量石墨烯提供了新思路，并且介绍石墨烯的功能化和近期应用概况。
[关键词]石墨烯 制备 应用
中图分类号：O623.123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0372-01
正文：
英国科学家在2004年首次制备出了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体—石墨烯，其厚度只有0.3354nm，是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯在室温下具有微米级自由程和大的相干长度， 具有良好的导热性、高强度和超大的比表面积。优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有着光明的应用前景。
一、石墨烯的制备
（一）微机械剥离法
2004年， Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备出了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但产率低和成本高使其不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为实验室小规模制备。
（二）化学气相沉积法
化学气相沉积法使得规模化制备石墨烯有了新的突破。Kong等在以镍为基片的管状简易沉积炉中，通入含碳气体，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，再通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜成为目前透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，成本较高，工艺复杂，不利于石墨烯工业化生产。
（三）氧化-还原法
氧化-还原法是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨，经过超声分散制备成氧化石墨烯，加入还原剂去除氧化石墨表面的含得到石墨烯。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团， 就能得到石墨烯。氧化-还原法制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。氧化-还原法简便且成本较低，不仅制备出大量石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题，而且有利于制备石墨烯的衍生物， 拓展了石墨烯的应用领域。
（四）溶剂剥离法
溶剂剥离法是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，层层剥离，制备出石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，但其产率很低，限制了它的商业应用。
（五）溶剂热法
溶剂热法是指在特制的密闭反应器中，采用有机溶剂作为反应介质，通过将反应体系加热至临界温度，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受到关注。溶剂热法和其他制备方法的结合将成为石墨烯制备的又一亮点。
二、石墨烯的应用
（一）透明电极
氧化铟锡是工业上已经商业化的透明薄膜材料。铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的应用受到限制。而石墨烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟锡的替代材料，且其制备工艺简单、成本低的优点也为其商业化铺平了道路。
（二）传感器
电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术，涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移，这使石墨烯成为电化学生物传感器的理想材料。
（三）超级电容器
超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量大， 使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孔碳材料电极需要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。
（四）能源存储
众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。
（五）复合材料
石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域。石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复合材料的加工性能等，为复合材料提供了更广阔的应用领域。
三、前景
短短几年时间，石墨烯优异的性能渐渐被开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多问题：第一，怎样大规模制备高质量低成本的石墨烯；第二，石墨烯仍有很多性能有待研究；第三，开拓石墨烯和其它学科的交叉领域， 探索石墨烯功能化的新性能。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。
参考文献：
[1] Novoselov K S， Geim A K， M orozov S V， et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science ，2004，306（5296）：666- 669.
[2] Zhang Y B， T an Y W， Stormer H L， et al. Experimental ob -servation of the quantum hall effect and berry. s phase in gra-phene[J]. Nature ， 2005 ， 438（ 7065） ： 201 -204.
作者简介
卢宇飞（1994.2- ），女，河南洛阳人，郑州大学材料科学与工程学院2012级本科生，高分子材料科学与工程专业，研究方向：高分子材料（郑州大学材料科学与工程学院 河南郑州 450001）
[关键词]石墨烯 制备 应用
中图分类号：O623.123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0372-01
正文：
英国科学家在2004年首次制备出了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体—石墨烯，其厚度只有0.3354nm，是目前世界上发现最薄的材料。石墨烯在室温下具有微米级自由程和大的相干长度， 具有良好的导热性、高强度和超大的比表面积。优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有着光明的应用前景。
一、石墨烯的制备
（一）微机械剥离法
2004年， Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备出了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但产率低和成本高使其不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为实验室小规模制备。
（二）化学气相沉积法
化学气相沉积法使得规模化制备石墨烯有了新的突破。Kong等在以镍为基片的管状简易沉积炉中，通入含碳气体，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，再通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜成为目前透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，成本较高，工艺复杂，不利于石墨烯工业化生产。
（三）氧化-还原法
氧化-还原法是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨，经过超声分散制备成氧化石墨烯，加入还原剂去除氧化石墨表面的含得到石墨烯。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团， 就能得到石墨烯。氧化-还原法制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。氧化-还原法简便且成本较低，不仅制备出大量石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题，而且有利于制备石墨烯的衍生物， 拓展了石墨烯的应用领域。
（四）溶剂剥离法
溶剂剥离法是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，层层剥离，制备出石墨烯。溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，但其产率很低，限制了它的商业应用。
（五）溶剂热法
溶剂热法是指在特制的密闭反应器中，采用有机溶剂作为反应介质，通过将反应体系加热至临界温度，在反应体系中自身产生高压而进行材料制备的一种有效方法。溶剂热法因高温高压封闭体系下可制备高质量石墨烯的特点越来越受到关注。溶剂热法和其他制备方法的结合将成为石墨烯制备的又一亮点。
二、石墨烯的应用
（一）透明电极
氧化铟锡是工业上已经商业化的透明薄膜材料。铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的应用受到限制。而石墨烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟锡的替代材料，且其制备工艺简单、成本低的优点也为其商业化铺平了道路。
（二）传感器
电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术，涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移，这使石墨烯成为电化学生物传感器的理想材料。
（三）超级电容器
超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量大， 使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孔碳材料电极需要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。
（四）能源存储
众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。
（五）复合材料
石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域。石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复合材料的加工性能等，为复合材料提供了更广阔的应用领域。
三、前景
短短几年时间，石墨烯优异的性能渐渐被开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多问题：第一，怎样大规模制备高质量低成本的石墨烯；第二，石墨烯仍有很多性能有待研究；第三，开拓石墨烯和其它学科的交叉领域， 探索石墨烯功能化的新性能。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。
参考文献：
[1] Novoselov K S， Geim A K， M orozov S V， et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science ，2004，306（5296）：666- 669.
[2] Zhang Y B， T an Y W， Stormer H L， et al. Experimental ob -servation of the quantum hall effect and berry. s phase in gra-phene[J]. Nature ， 2005 ， 438（ 7065） ： 201 -204.
作者简介
卢宇飞（1994.2- ），女，河南洛阳人，郑州大学材料科学与工程学院2012级本科生，高分子材料科学与工程专业，研究方向：高分子材料（郑州大学材料科学与工程学院 河南郑州 450001）