中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯具有廣闊的應(yīng)用空間和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)預(yù)計(jì)，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，在納米電子器件、光電化學(xué)電池、超輕型飛機(jī)材料等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。正是在這一背景下，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)石墨烯技術(shù)的應(yīng)用研究如火如荼，而主要的研究熱點(diǎn)則集中在儲(chǔ)能、電化學(xué)分析和石墨烯的生物安全性等方面。
儲(chǔ)能材料領(lǐng)域
新型儲(chǔ)能材料的研發(fā)是推動(dòng)高效儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來(lái)，化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)κ┑难芯恐饕性跉淠艽鎯?chǔ)、超級(jí)電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等4方面。研究的重點(diǎn)則集中在對(duì)石墨烯制備方法的探索，對(duì)石墨烯功能化的試驗(yàn)研究以及基于石墨烯本身性質(zhì)來(lái)研發(fā)結(jié)構(gòu)完善的高性能石墨烯基儲(chǔ)能元件。
儲(chǔ)氫方面。氫能源作為二次清潔能源是能源發(fā)展計(jì)劃中不可或缺的新能源之一。其具有損耗少、無(wú)污染、回收利用率高、且利用形式多樣等特點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色能源。利用特殊材料吸附氫是一種新型的儲(chǔ)氫方法，研究結(jié)果表明，目前已使用的活性炭、富勒烯以及碳納米纖維等碳材料的儲(chǔ)氫能力均未達(dá)到理想的狀態(tài)，而作為sp2雜化碳基本構(gòu)成單元的石墨烯自問(wèn)世以來(lái)，就展現(xiàn)出相對(duì)于其他碳材料更為優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也因此積極探索石墨烯及其復(fù)合結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)氫方面的潛能。一些科學(xué)家結(jié)合鈀納米顆粒與石墨烯材料，制成二維石墨烯納米片，與活性炭材料混合后生成一種全新的儲(chǔ)氫材料。研究結(jié)果表明，該儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫量在壓力為10MPa 狀態(tài)下可以達(dá)到0.82%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，相較于單純的鈀納米材料提升了近49%，該材料不僅存儲(chǔ)性能良好且吸附性的可逆程度較高。
超級(jí)電容器方面。超級(jí)電容器又可稱為雙電層電容器，是一種新型儲(chǔ)能器件，具有充放電效率高、綠色環(huán)保、安全可靠、以及循環(huán)可逆性等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天和國(guó)防科技等領(lǐng)域。因此其獨(dú)立支撐的電極必須具備力學(xué)強(qiáng)度高和電容大的特質(zhì)。相對(duì)于其他碳材料，石墨烯的電導(dǎo)率高、比表面積大、且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，更加適合作為超級(jí)電容器電極材料。目前大多數(shù)研究觀點(diǎn)認(rèn)為高溫環(huán)境是化學(xué)法還原氧化石墨烯的必要條件，但有科學(xué)家在真空環(huán)境下，并在200℃這一遠(yuǎn)低于理論臨界剝離溫度的條件下成功制得了石墨烯。相比高溫法制得的石墨烯，通過(guò)這種方法制出的石墨烯，其比容量更高，達(dá)到了279 F/g。
然而，當(dāng)前對(duì)石墨烯、金屬氧化物以及導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的研究仍限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，還未解決如何規(guī)模化制備質(zhì)量良好的石墨烯及其復(fù)合材料的問(wèn)題，對(duì)基于石墨烯的超級(jí)電容器的體積比性能的研究也較欠缺。
鋰離子電池方面。鋰離子電池通過(guò)鋰離子在正負(fù)兩極之間的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作，因此電池正極材料的導(dǎo)電性能則會(huì)密切關(guān)系到鋰離子電池的能量密度和功率性能。實(shí)際上，大部分電極材料的比容量都與理論上可達(dá)到的比容量相距甚遠(yuǎn)，尤其是在大電流充放電時(shí)，電極材料的比容量會(huì)大幅下降。石墨烯材料因具備優(yōu)異的電子導(dǎo)電性，被應(yīng)用到鋰電子電池的研究中。石墨烯層應(yīng)用于電池的正極材料中，不僅可以減少電池的界面電阻，便于鋰離子在電池的正負(fù)兩極間傳導(dǎo)，還有助于減慢金屬氧化物溶解相變的速度，從而保證鋰電池的電極在電循環(huán)周期中保持結(jié)構(gòu)。有科學(xué)家采用三元共組裝法，將氧化錫與石墨烯整合在一起，與表面活性劑多元協(xié)同，制備出三元有序納米復(fù)合材料(見(jiàn)圖1)，該材料用于電極的比容量可達(dá)到760 mA?h/g，且該材料是一種良好的緩沖材料，利于提高鋰離子電池電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
鋰-空氣電池方面。鋰-空氣電池作為理想的高比能量化學(xué)電源，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前，石墨烯在鋰-空氣電池研究應(yīng)用中，顯示出突出的優(yōu)越性，其不僅可以構(gòu)成電池的正極材料，更表現(xiàn)出可觀的催化活性。在鋰-空氣電池中，石墨烯作為催化劑或催化劑基底展示出其潛在的優(yōu)勢(shì)，可以提高催化效率，并且不斷提高鋰-空氣電池的循環(huán)性能，其比表面積巨大以及多孔體系的特性提升了鋰-空氣電池的放電容量。科學(xué)家在電解質(zhì)為烷基碳酸酯的鋰空氣電池中，將石墨納米片(NGS)作為陰極催化劑，證明了與Vulcan XC-72碳電極相比，NGS電極的循環(huán)性能更好、過(guò)電位更低。有科學(xué)家制備出一種空氣電極為石墨烯泡沫的鋰空氣電池，實(shí)驗(yàn)表明在鋰-空氣電池中電流循環(huán)20 次的情況下，其循環(huán)效率只損失了20%，并且其放電電壓穩(wěn)定在2.8V。
電化學(xué)分析
石墨烯在電化學(xué)分析中主要應(yīng)用在基于目標(biāo)分子直接電化學(xué)的分析檢測(cè)和用作生物電分析中的載體材料和基于石墨烯的光透電極等方面。
目標(biāo)分子直接電化學(xué)分析?；谀繕?biāo)分子直接電化學(xué)分析檢測(cè)的目標(biāo)物包括：無(wú)機(jī)小分子，有機(jī)小分子，以及氧化還原蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子，如DNA 和血紅蛋白等。石墨烯上可吸附蛋白質(zhì)的特性使得石墨烯是研究蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的理想材料。如有學(xué)者以化學(xué)還原的石墨烯氧化物修飾的玻璃碳電極(CR-GO/GC)作為新的電極體系，提出了電化學(xué)傳感和生物傳感的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。另一些人研究了石墨烯氧化物(GO)修飾電極上細(xì)胞色素C、肌紅蛋白和辣根過(guò)氧化物酶(HRP)等3種金屬蛋白的直接電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)GO可促進(jìn)其電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，而且其生物活性幾乎不受影響。
生物電分析中的載體材料/細(xì)菌電極的載體材料。酶電極是重要的生物分析方法之一。GO表面的缺陷和含氧基團(tuán)具有化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)活性，可化學(xué)鍵合固定生物大分子用于研制生物傳感器?；谑┎牧系姆枪矁r(jià)固定法用于生物傳感研究也有很多例子;免疫傳感是生物親和傳感的重要類別，在生物分析中占有重要地位;氧化石墨烯材料研制了三明治型免疫傳感器，該傳感器優(yōu)異的性能是因?yàn)槭┚哂锌焖俚碾娮愚D(zhuǎn)移速度和大的比表面積。
基于石墨烯的光透電極。常規(guī)光透電極主要是銦錫氧化物鍍膜的石英和普通玻璃，主要用于LCD、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、觸摸屏和太陽(yáng)能電池電極等。銦錫氧化物玻璃主要存在以下問(wèn)題：銦價(jià)格昂貴且儲(chǔ)量少、銦錫氧化物鍍層脆弱且常需真空環(huán)境制膜、玻璃基底缺乏柔韌性，限制了銦錫氧化物光透電極的應(yīng)用。而原子級(jí)厚度石墨烯因透光性好、導(dǎo)電性高、機(jī)械強(qiáng)度大、制備成本低，是制作光透電極的可選材料，尤其是制作柔性光透電極的理想材料?；谑┎牧系墓馔鸽姌O可用于染料敏化太陽(yáng)能電池中?？茖W(xué)家將氧化石墨烯化學(xué)還原后制得石墨烯光透膜電極，電極電導(dǎo)率達(dá)550S/cm，在1000～3000nm波長(zhǎng)下透光率大于70%，雖然這種材料的透光性比氧化銦低，但產(chǎn)生的電流密度比氧化銦高，同時(shí)具有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。
石墨烯的生物安全性
對(duì)細(xì)胞毒性方面的研究。對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料的細(xì)胞毒性的分析研究有助于判斷其生物安全性程度。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的黃慶課題組一直關(guān)注對(duì)石墨烯細(xì)胞毒性的研究，并已經(jīng)發(fā)表了一系列的研究成果著作。課題組通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在與不同濃度下的石墨烯氧化物(GO)納米片層進(jìn)行混合后，只表現(xiàn)出了細(xì)胞活性的升降，細(xì)胞并未因GO濃度的不同而死亡，可見(jiàn)GO具有良好的生物相容性。另一方面，相同濃度的GO和還原型石墨烯氧化物(rGO)則表現(xiàn)出了不同的細(xì)胞毒性，而不同氧化程度的石墨烯其細(xì)胞毒性也隨之不同。Hu等人研究發(fā)現(xiàn)，由于GO材料具有良好的吸附性，可以吸附細(xì)胞培養(yǎng)基中的蛋白形成包覆層，抑制其與細(xì)胞膜的相互作用，以減少GO的細(xì)胞毒性。有其他研究則顯示出了GO的尺寸大小會(huì)對(duì)其細(xì)胞毒性有較大的影響，即尺寸越小的GO，其細(xì)胞毒性也越小。目前,有少數(shù)研究者認(rèn)為GO對(duì)細(xì)胞的毒性很可能來(lái)源于材料與細(xì)胞膜之間的相互作用，但學(xué)界尚未對(duì)石墨烯材料和細(xì)胞膜相互作用的方式和機(jī)制進(jìn)行深入研究。隨著石墨烯及其復(fù)合材料被作為載藥材料的現(xiàn)象越來(lái)越多,研究者也開始廣泛關(guān)注其材料自身和血液的相互兼容性。
對(duì)動(dòng)物毒性方面的研究。石墨烯及其復(fù)合材料的動(dòng)物毒性是學(xué)界的研究焦點(diǎn)之一。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)了GO對(duì)哺乳動(dòng)物的肺臟器官具有毒性;但同時(shí)也有研究表明，通過(guò)對(duì)GO的修飾可以在某種程度上避免其對(duì)哺乳動(dòng)物的肺產(chǎn)生毒性。除此之外，一些學(xué)者還分析研究了產(chǎn)生動(dòng)物毒性的相關(guān)因素，另一些人則對(duì)比了不同條件下GO的動(dòng)物毒性，并綜合GO的動(dòng)物毒性與其在細(xì)胞內(nèi)部的電子傳遞過(guò)程進(jìn)行研究。在正常環(huán)境里，機(jī)體內(nèi)部的過(guò)氧化氫(H2O2)有限，且細(xì)胞色素c作為生物氧化過(guò)程中的電子傳遞體，已經(jīng)附著在細(xì)胞線粒體內(nèi)壁上，而GO催化出的少量H2O2并不會(huì)引發(fā)細(xì)胞色素c的泄露，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。但在氧化應(yīng)激環(huán)境中，由于生物體內(nèi)的電子傳遞過(guò)程，GO可將大量電子傳遞給氧分子，生成了大量H2O2，在細(xì)胞內(nèi)部累積到一定程度后，引起細(xì)胞色素c泄露，細(xì)胞最終也無(wú)法避免凋亡的結(jié)果。
對(duì)微生物抗菌性方面的研究。石墨烯及其衍生物不僅具有良好的生物相容性，還在與微生物的相互作用中展示出突出的抗菌性。黃慶課題組于2010年第一次揭示了石墨烯材料的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在摻雜石墨烯納米液的培養(yǎng)基中，大腸桿菌的存活率僅有約10%。目前，對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料的抗菌性研究主要聚焦在以下兩方面：一方面，由于石墨烯的多環(huán)芳香烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAH)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的化學(xué)修飾功能，學(xué)界一直致力于將石墨烯應(yīng)用于制造抗菌材料，探究出能夠規(guī)模化制備新型復(fù)合納米抗菌材料的方法。另一方面,研究人員則通過(guò)對(duì)比不同氧化程度的石墨烯的抗菌性，深入探索分析石墨烯材料的抗菌原理和作用機(jī)制，以期能夠?yàn)樽畲蟪潭葘?shí)現(xiàn)石墨烯的抗菌功能提供參考。
石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)意義非凡，甚至預(yù)示著新一輪碳化學(xué)革命的興起，引發(fā)了科學(xué)家極大的研究興趣。石墨烯具備良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、光透性、抗菌性，且比表面積大等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能、電化學(xué)分析等方面都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，值得學(xué)界繼續(xù)關(guān)注研究。然而，石墨烯在市場(chǎng)化和產(chǎn)品化的過(guò)程中還存在許多有待解決的問(wèn)題，石墨烯的工業(yè)生產(chǎn)迄今仍未實(shí)現(xiàn)，其規(guī)?；闹苽?、功能化的用途還需深入探究，科學(xué)家們應(yīng)對(duì)石墨烯進(jìn)行系統(tǒng)化研究，以促進(jìn)石墨烯各方面性能的進(jìn)步，推動(dòng)其產(chǎn)品化、商業(yè)化的進(jìn)程。
原標(biāo)題:當(dāng)前石墨烯三大研究熱點(diǎn)：儲(chǔ)能、電化學(xué)、安全性
