石墨烯纳米复合材料及其应用

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石墨烯及其复合材料在酶电化学生物传感器中的应用

作者：张谦 张玲 李景虹

来源：《分析化学》2013年第05期

摘要：石墨烯作为新型的二维碳基纳米材料，具有良好的导电性、较大的比表面积和较好的生物相容性。石墨烯及其复合物适合于构建酶电化学生物传感器。本文介绍了石墨烯功能化的方法，并对石墨烯及其复合物在酶电化学生物传感器方面的研究进行了综述。

关键词：石墨烯； 功能化； 酶； 电化学生物传感器； 综述

1引言

石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料。自从2004年由英国Manchester 大学的Geim研究组发现以来，石墨烯引起了强烈的反响和广泛关注[1]。这种二维纳米材料的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其厚度仅为一个碳原子的厚度（0.335 nm），是目前所发现的最薄的二维材料[2，3]。这种特殊的结构使得石墨烯表现出优异的物理化学性质。石墨烯的理论比表面积高达2600 m2g4，其结构中长程有序的鸺缱咏峁故故┚哂杏乓斓牡既刃阅 （3×103 W（m·K））和力学性能（1.06×103 GPa）以及室温下的高的电子迁移率（1.5×104 cm2（V·s））[4～6]。由于具有独特的结构和优异的性能，石墨烯已被广泛应用于诸多领域[7～13]。

近年来，随着对石墨烯结构、性质等方面的深入研究，其在电化学，尤其是生物电化学领域的研究日益受到关注[14～22]。由于具有优良的导电性和电催化性能，石墨烯是制备酶电化学生物传感器的一种理想的电极材料[23～25]。石墨烯良好的电学性质使其可以在电化学过程中有效地促进电子传输，提高生物传感器的灵敏度和响应信号，缩短响应时间[26]。而且，石墨烯具有较大的比表面积可有效提高酶的负载量，由此改善传感器的灵敏度等性能[27]。此外，石墨烯还具有良好的生物相容性，能够保持负载酶的生物活性，有利于生物传感器的稳定[28，29]。目前，已有诸多综述性文章从不同方面对石墨烯的合成、性质和应用等进行了评述，本文仅对石墨烯及其复合物在酶电化学生物传感器领域中的新进展进行综述。

石墨烯复合材料的制备、性能与应用

摘要：纳米科学技术是当今社会科学中一个重要的研究话题。它是现代科学技术的重要内容，也是未来技术的主流。是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能,自从2004年被成功制备出来,一直是全世界范围内的一个研究热点。由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性,石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景,因此,石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的研究是石墨烯材料研究的一个重要领域。综述了石墨烯与石墨烯复合材料的制备及其在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等电化学领域中应用的研究现状,展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。

关键词;复合材料 纳米材料 石墨烯

正文;

一，石墨烯复合材料的制备

石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面复合材料，其特殊的单原子层决定了它具有丰富而新奇的物理性质。研究表明，石墨烯具有优良的电学性质，力学性能及可加工性。

石墨烯复合材料的制备是石墨烯研究领域的一个重要的课题，如何简单，快速，绿色地制备其复合材料，而又

采用化学分散法大量制备氧化石墨烯,并采用直接共混法制备氧化石墨烯/酚醛树脂纳米复合材料。通过AFM、SEM、FT-IR、TG等对其进行表征,结果表明,氧化石墨烯完全剥离,并在基体中分散均匀,而且两者界面相容性好,提高了复合材料的热稳定性。通过高温热处理使复合材料薄膜在兼顾形貌的同时实现导电,当氧化石墨烯含量为2%(质量分数)时,其导电率为96.23S/cm。

采用原位乳液聚合和化学还原法制备了石墨烯和聚丙乙烯的复合材料。研究表明PS微球通过公家方式连接到石墨烯的表面。通过PS微球修饰后的石墨烯在氯仿中变现良好的分散性。制备的复合材料具有优良的导电性，同时PS的玻璃化温度的热稳定性得到了提高。本研究所提出的方法具有环境友好高效的特点，渴望被采用到其他聚合物和化合物来修饰石墨烯。

石墨烯的研究与应用综述

一、石墨烯的结构与特性

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨等。

石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯具有一些奇特的物理特性：

导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度能够达到光速的1/300，是世界上电阻率最小的材料。

良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，单层石墨烯的导热系数可达5300瓦/米水度，远高于金属中导热系数高的银、铜等。

极好的透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过。

超高强度：石墨烯被证明是当代最牢固的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。

超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。

石墨烯特殊的结构形态，具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时具有很强的韧性、导电性和导热性，这些极端特性使其拥有巨大发展空间，应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。 二、石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法；化学法包括外延生长法、化学气相沉积法与氧化石墨还原法。

微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，不适合量产；取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀；加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。

石墨烯

——结构及其制备方法

学院： 机械学工程与自动化学院

班级： 装备1302

姓名： 尹朋飞

学号：

目录

石墨烯 .............................................................................................................................................. 1

——结构及其制备方法 ........................................................................................................... 1

1石墨烯的发现与结构 .................................................................................................................... 3

1.1石墨烯的发现 ..................................................................................................................... 3

1.2石墨烯的结构 ..................................................................................................................... 3