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石墨烯前沿应用研究发展综述
石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂
巢晶格的二维碳纳米材料,是人类目前已知的强度最高的物
质。自2004年由英国曼彻斯特大学2位科学家(AndreGeim
和KonstantinNovoselov)首次制备出后,石墨烯引起了科学
界的广泛关注,被认为是一种影响未来的革命性的材料。石
墨烯在各个领域中的应用都是涉及到它的导电性能和机械
性能。石墨烯应用广泛,在应用中可以和其他物质组合,以
实现更好的性能。本文从新能源电池、生物医学领域、海水
淡化、光崔化等角度介绍石墨烯的研究进展情况。
1新能源电池
1.1导电添加剂及电极复合材料
石墨烯材料具有良好的导电性,易加工成薄膜,将石墨
烯作为导电添加剂加入到锂离子电池正极中,能够大幅度提
升电池导电率,进而提高电化学性能。作为负极材料可提供
给锂离子可逆的存储空间,提高容量和快速充放电。例如,
在二氧化锡(一种锂离子电池负极材料)的表面包覆石墨烯
材料,可以有效缓解电池充放电过程中产生的体积膨胀问
题,提高容量和循环的稳定性。硅纳米材料与石墨烯材料的
复合材料比一般的导电剂性能更好,减少了多次循环的损
耗,降低了成本,其循环可逆比容量大幅提升。日本电器公
司ChengQian团队研制出呈蜂窝状的多孔石墨烯海绵,将其
用作锂离子正负电极的导电添加剂时能够有效提高电池电
极的电子传导率,降低活性物质的电荷转移电阻,提升电池
倍率性能和循环。石墨烯材料是导电添加剂材料的重要研究
方向。将石墨烯导电剂和具有更高导电性的碳材料组成复合
导电剂,能够使导电剂更充分地接触活性物质,可从不同维
度上构建协同导电网络,更好地改善正极性能。山东大学
JiangRongyan等人在二氧化锰(MnO2)基电极材料中加入
质量分数5%和10%的炭黑与石墨烯后,显著提升了电极材料
的性能。清华大学研究团队利用质量分数1%Super-P(SP)和
质量分数为0.2%的石墨烯纳米片(GN)作为二元导电剂,
在LiCoO2(钴酸锂)电极中构建有效的导电网络,提升电池
倍率性能和循环,优于市场上含有3%SP的电池,进一步论
证了GN添加剂用于高性能锂离子锂电池的商业潜力。
1.2集流体
集流体是电池电芯的重要组成部分,良好的集流体需要
有宏观尺寸、独立自支撑、稳定性好、导电导热性能好、成
本低等优势。石墨烯材料的高导电性和高柔韧性使其非常适
合作为柔性储能器件。早在2012年,中国科学院金属研究
所就用三维联通的石墨烯网络取代金属集流体,作为电池中
的集流体[7]。Ruoff课题组将泡沫石墨烯作为集流体,并应
用在锂离子电池中。之后泡沫石墨烯被用作各类锂离子电池
的集流体。石墨烯海绵也是一类可以用作电池集流体的三维
碳材料,具有良好的机械性能和导电率。
2生物医学领域
2.1生物医学传感器
在生物医学领域,石墨烯的研究主要是关注:①用于生
物分子检测的氧化石墨烯生物探测器设备的研发;②氧化石
墨烯的抗菌作用、石墨烯生物安全性以及毒性作用机理等研
究;③石墨烯在生物光热治疗、光储存方面的研究[9]。生物
医学传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信
号进行检测的仪器。墨尔本大学研究团队设计了一种基于石
墨烯的热电传感装置。该装置首先是构造一个边缘为氢钝化
的曲折的石墨烯纳米带,再让石墨烯纳米带的表面接近单个
生物分子,从而准确地检测出单个分子。印度CSIR公司
Bhatnagar等人设计出一种石墨烯量子点和聚酰胺-胺
(PAMAM)纳米复合修饰金电极超敏心肌肌钙蛋白I抗体,用
于快速检测人心肌梗死。石墨烯是一种很有前景的纳米DNA
测序材料,基于石墨烯的传感器可以用于DNA测序,但目前
市场规模较小。原理是纳米孔与基于石墨烯的传感器结合起
来,让单个DNA分子穿过传感器,从而实现单DNA分子测
序[12]。浙江大学梁立军通过对多层石墨烯纳米孔道中对
DNA分子进行穿孔行为的研究,发现多层石墨烯对于DNA
测序在精度方面优于单层石墨烯。
2.2氧化石墨烯的抗菌作用及生物安全性
由于传统的抗生素的滥用会造成抗药性问题,抑菌性能
减弱,而纳米材料具有独特的结构特性,可以用来制作高效
安全的抗菌剂,所以纳米抗菌材料如今得到人们的关注和重
视。石墨烯的衍生物
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