功能化石墨烯的应用研究新进展

物理化学学报Acta Phys. -Chim. Sin. 2022,38 (1), 2103059 (1 of 2)[Preface] doi:10.3866/PKU.WHXB202103059 石墨烯的功能与应用——生长、性质与新器件王斌1，智林杰1,21国家纳米科学中心，纳米科学卓越创新中心，纳米系统与多级次制造重点实验室，北京 1001902中国科学院大学，北京 100049Graphene: Functions and Applications——Growth, Properties, and New DevicesBin Wang 1, Linjie Zhi 1,21 CAS Key Laboratory of Nanosystem and Hierarchical Fabrication, CAS Center for Excellence in Nanoscience, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, China.2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China.Emails:****************(B.W.);****************(L.Z.)Published online: April 7, 2021.石墨烯原子层厚度的二维平面结构以及其独特的物理化学性质引起了国际学术界的广泛关注1，同时也赋予石墨烯丰富多样的光、热、电、磁、力等功能。

石墨烯的结晶度、旋转错位、物理形变等无不引起其功能的显著变化，而杂原子掺杂、可设计孔洞、选择性边缘结构、特异性复合等也往往赋予石墨烯特殊的性能与应用。

同时，在纳米与分子尺度上对石墨烯的结构、骨架、孔道等进行设计与构建更能衍生出许多全新的功能化石墨烯材料，有可能会带来科学上的重大发现。

石墨烯复合材料研究进展摘要：近年来石墨烯因其优良的力学、电学、热学和光学等特性, 且添加到基体材料中可以提高复合材料的性能，拓展其功能，因此石墨烯复合材料的制备成为研究热点之一。

本文介绍了国内外对石墨烯复合材料的研究，对石墨烯复合材料的研究进展及现状进行了详细的介绍，并对石墨烯复合材料的发展趋势进行了展望。

关键词：石墨烯；复合材料；研究进展一、引言石墨烯因其优异的物理性能和可修饰性, 受到国内外学者的广泛关注。

石墨烯的杨氏模量高达1TPa、断裂强度高达130GPa，是目前已知的强度性能最高的材料，同时是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；拥有很高的电子迁移率，且具有较高的导热系数。

氧化石墨烯作为石墨烯的重要派生物，氧化石墨烯薄片在剪切力作用下很容易平行排列于复合材料中, 从而提高复合材料的性能。

本文总结介绍了几种常见的石墨烯复合材料。

二、石墨烯复合材料（1）石墨烯及氧化石墨烯复合材料膜聚乙烯醇（PVA）结构中有非常多的羟基，因此其能与水相互溶解，溶解效果很好。

GO和PVA都可以在溶液中形成均匀、稳定的分散体系。

干燥成型后，GO在PVA中的分散可以达到分子水平，GO表面丰富的含氧官能团可以与PVA的羟基形成氢键，因此添加少量的GO可以显著提高复合材料的力学性能。

樊志敏[1]等制备出了氧化石墨烯纳米带/TPU复合膜。

通过机械测试显示，当加入氧化石墨烯纳米带的量为2%时，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度与不加氧化石墨烯纳米带的纯TPU薄膜相比都得到了非常大的提高，分别提高了160%和123%。

马国富[2]等人发现，在聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）复合制备的得复合薄膜中，GO均匀的分散在PVA溶液中，PVA的羟基与GO表面的含氧基团发生相互作用复合而不分相。

加入GO之后，大大提高了复合膜的热稳定性，当加入的GO量为3%时，纳米复合膜力学性能测试出现最大值，此时断裂伸长率也出现了最大值，这表明在此GO含量时复合膜有最佳性能；与不加GO的纯PVA膜相比，当加入的GO量为3%时，耐水性也大大地提高。

石墨烯材料的功能化修饰方法石墨烯作为一种新兴材料，具有优异的物理、化学和电学特性，引起了广泛的研究兴趣。

然而，由于石墨烯本身在应用中的一些限制，如缺乏特定功能和易于氧化等问题，功能化修饰方法成为了研究的重点。

本文将介绍一些常见的石墨烯材料的功能化修饰方法。

首先，一种常见的功能化修饰方法是化学修饰。

通过在石墨烯表面引入不同的化学官能团，可以实现石墨烯的特定功能化。

例如，通过与石墨烯表面上的羟基发生反应，可以将氨基或羧基等官能团引入石墨烯中，使其具有吸附某些特定物质的功能。

此外，还可以利用化学修饰方法改变石墨烯的电子结构，从而调控其导电性能。

这种方法具有简单快捷、可控性高的优点，因此被广泛应用于石墨烯的功能化修饰研究中。

其次，物理修饰也是一种常见的功能化修饰方法。

物理修饰是通过改变石墨烯的形貌和结构来实现其功能化。

一种常见的物理修饰方法是通过控制石墨烯的层数来调控其性质。

石墨烯通常是由单层碳原子组成的，但可以通过剥离多层石墨烯或在石墨烯表面引入一层其他原子来改变其层数。

这种方法可以显著改变石墨烯的机械性能和各种物理性质。

此外，还可以通过控制石墨烯的形貌和尺寸来实现其功能化。

例如，可以通过控制剪裁和折叠的方式来制备石墨烯纳米片，从而实现其在纳米器件中的应用。

再次，石墨烯的功能化修饰方法还包括生物修饰。

生物修饰是将生物分子引入石墨烯中，赋予其特定的生物功能。

这种修饰方法主要通过生物分子的亲和性来实现。

例如，可以利用亲和层析技术将生物分子（如抗体、酶等）固定在石墨烯表面，从而使其具有特定的生物检测功能。

此外，还可以通过生物修饰方法将石墨烯用于药物递送系统，实现可控释放或靶向递送药物。

最后，还有一些其他的功能化修饰方法可以应用于石墨烯。

例如，利用石墨烯与金属或合金的界面效应，可以实现石墨烯的催化功能化。

此外，还可以通过控制石墨烯的缺陷结构来改变其性质，例如引入氧杂质或碳杂质。

这些功能化修饰方法虽然不同于前述的常见方法，但同样可以赋予石墨烯特定的功能。

第５１卷第７期２０２２年７月应　用　化　工ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＶｏｌ.５１Ｎｏ.７Ｊｕｌ.２０２２

收稿日期:２０２１￣０４￣１６ 修改稿日期:２０２１￣０５￣２７基金项目:山东省中央引导地方科技发展项目(ＹＤＺＸ２０２０３７００００２５０１)作者简介:张笑娟(１９９７－)ꎬ女ꎬ河南西华人ꎬ哈尔滨工业大学(威海)在读硕士ꎬ师从任秀莲教授ꎬ主要从事氧化石墨烯的制备与纯化的研究ꎮ电话:187****8955ꎬE－ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｘｉａｏｊｕａｎｈｘｈｇ＠１２６.ｃｏｍ通信作者:任秀莲(１９６３－)ꎬ女ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ主要从事分离科学与技术的研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｒｅｎｘｉｕｌｉａｎ＠１２６.ｃｏｍ

氧化石墨烯的制备方法、结构、性质及应用研究进展

张笑娟ꎬ魏琦峰ꎬ任秀莲(哈尔滨工业大学(威海)海洋科学与技术学院ꎬ山东威海　２６４２００)摘　要:对氧化石墨烯(ＧＯ)的制备与纯化方法进行了综述ꎬ总结了包括Ｂｒｏｄｉｅ法、Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ法、Ｈｕｍｍｅｒｓ法、有机物氧化法及电化学法等方法的优缺点ꎮ介绍了ＧＯ的动态结构模型、Ｌｅｒｆ￣Ｋｌｉｎｏｗｓｋｉ模型、两组分模型等结构模型ꎮ此外ꎬ对ＧＯ的机械性能、电化学、光学、热学性质以及在水和极性有机溶剂中的分散性能等进行了总结ꎮ基于ＧＯ可功能化改性等物理化学性质ꎬ对ＧＯ在复合材料、电池、废水处理等领域的应用进行了介绍ꎬ为氧化石墨烯及

石墨烯的功能材料开发提供了依据ꎮ关键词:氧化石墨烯ꎻ制备ꎻ结构ꎻ性质中图分类号:ＴＱ１２７.１１ꎻＴＢ３８３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１６７１－３２０６(２０２２)０７－２１０６－０７

Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓꎬ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ＺＨＡＮＧＸｉａｏ￣ｊｕａｎꎬＷＥＩＱｉ￣ｆｅｎｇꎬＲＥＮＸｉｕ￣ｌｉａｎ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｒｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｗｅｉｈａｉ)ꎬＷｅｉｈａｉ２６４２００ꎬＣｈｉｎａ)

新型多功能材料的开发与应用研究多功能材料是一种具有多种功能或性能的材料，可以在不同的领域中得到广泛的应用。

它们可以同时具备强度、导电性、热传导性、防水性等多种性能，为我们的生活和工作带来了很多便利和创新。

在科技的进步中，新型多功能材料的开发与应用研究变得越来越重要。

过去，多功能材料的研究主要集中在单一功能上，如提高材料的强度、导电性等。

然而，随着科技的不断进步，人们对材料的需求也不断增加。

这就要求我们在新型多功能材料的研究中，不仅要关注单一功能的提升，还要考虑多种功能的结合与协同。

近年来，石墨烯材料的研究成果在科技界引起了广泛的关注。

石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有极高的导电性和热传导性。

通过对石墨烯进行功能化改性，可以使其具备多种功能，如疏水性和高强度等。

比如，将石墨烯与聚合物复合，可以将其应用于电池领域，提高电池的导电性和储能效率。

此外，石墨烯材料还可以应用于传感器领域，提高传感器的灵敏度和响应速度。

多功能材料的开发与应用不仅需要优秀的材料，还需要具备丰富的研发能力与创造力。

在过去，材料的研究主要依赖实验室的实验和经验积累。

然而，随着计算机技术的发展，我们可以利用计算模拟的方法，对材料进行分子层面的设计和优化。

这种计算模拟方法不仅可以加速多功能材料的开发过程，还可以为我们提供更深入的分析和理解。

在多功能材料的开发与应用中，我们还需要考虑到其对环境的影响和可持续性。

随着资源的减少和环境污染的加剧，我们需要寻找更加环保和可持续的材料。

例如，一些可生物降解的材料可以替代传统的塑料材料，减少对环境的污染。

此外，考虑到能源的需求，一些多功能材料还可以应用于新能源领域，如太阳能电池等。

尽管我们在新型多功能材料的开发与应用研究中取得了很多进展，但仍然面临一些挑战和问题。

例如，通过复合方法将多种功能集成到一个材料中，可能导致材料性能的折衷。

此外，多功能材料的研发成本通常较高，需要大量的资金和人力投入。

一种多功能石墨烯保健梳子的研制与应用近年来，随着人们对健康的重视程度提高，各种保健产品悄然兴起。

在这些产品中，石墨烯的应用可谓异常广泛。

石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有轻质、强硬、柔韧等特性，据学者们研究发现，石墨烯还具有超强的抗氧化、抗辐射、抗菌、抗磨损等特性，因此在医疗、生物医学、化妆品、食品、服装等领域都有广泛应用。

而多功能石墨烯保健梳子，也就在这个大环境下应运而生。

石墨烯保健梳子的研制多功能石墨烯保健梳子的研制主要涉及以下几个方面：1. 材料选用石墨烯作为主要材料，具有抗菌、抗氧化、抗辐射等多种保健功能，它还可以帮助调节血液循环、缓解疲劳等。

另外，可选用医用级别的ABS或pp等材料来制作手柄等部分。

2. 制造工艺多功能石墨烯保健梳子的制造工艺非常关键，所选用的石墨烯需要经过多道复杂的工序才能进行制造。

具体工艺流程如下：（1）石墨烯制备：将石墨颗粒加热至高温，使其分子结构发生改变，之后使用机器拉伸，制备出薄如纸的石墨烯膜。

（2）石墨烯处理：将制备好的石墨烯膜在低温下进行打磨处理，使其表面凸出微纹路，增加抗磨损性和抗滑性。

（3）梳子组装：根据设计图纸拼配梳子部件，将石墨烯片贴附到梳齿上。

（4）手柄制作：制作手柄，利用热流组装手柄与梳齿。

（5）质检：对产品进行一次全面的质检，确保产品的性能和功能稳定可靠。

3. 技术创新多功能石墨烯保健梳子除了要在材料和工艺上做出改善外，还需要进行技术创新。

例如，可以为石墨烯保健梳子配置智能芯片，通过数据采集和分析，实时监测头皮状况，并提供相关护理建议。

多功能石墨烯保健梳子的应用多功能石墨烯保健梳子具有多种应用场景，主要包括以下几个方面：1. 护发靓发多功能石墨烯保健梳子具有一定的负离子杀菌效果，在日常护理中可有效清除头皮毛囊的细菌和污垢，避免头皮瘙痒和掉发问题的发生。

同时，石墨烯具有的红外线可以促进头皮局部血液循环，提升发根健康程度。

2. 颈椎按摩多功能石墨烯保健梳子的梳齿可根据人体颈部曲线设计，用来按摩颈椎穴位，缓解因颈椎不适、血液不畅等引起的头痛、头晕等症状。

石墨烯在医药中的应用引言石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成的二维单层晶体材料，具有超强的机械性能、良好的导电性和导热性，以及较大的比表面积。

这些独特的性质为其在医药领域的应用提供了广阔的可能性。

石墨烯在医药中的应用涉及多个方面，包括药物传递、生物传感、组织工程、癌症治疗等。

本文将详细介绍石墨烯在医药领域的具体应用情况，包括应用背景、应用过程和应用效果等。

药物传递石墨烯作为一种纳米材料，其具有较大的比表面积和高度可调控的物理和化学性质，使其成为一种理想的药物传递载体。

石墨烯可以通过物理吸附和共价键等方式与药物相互作用，实现药物的高效传递和靶向释放。

应用背景药物传递是指将药物转运到疾病部位以实现治疗效果的过程。

传统的药物传递系统存在药物稳定性差、剂量不精确、治疗效果差等问题。

因此，科学家们开始寻找新的药物传递载体，石墨烯便成为了一个备受关注的候选材料。

应用过程石墨烯在药物传递中的应用通常需要将其表面进行修饰，以提高其溶解性、稳定性和生物相容性。

常见的修饰方法包括共价键修饰、非共价键修饰和复合修饰等。

修饰后的石墨烯可以与药物相互作用，通过物理吸附或共价键结合等方式实现药物的传递和释放。

应用效果石墨烯作为药物传递载体具有以下优点： 1. 高效性：石墨烯具有较大的比表面积和高度可调控的性质，可以提高药物的载荷量和释放速度，从而增加药物在体内的浓度。

2. 靶向性：通过修饰石墨烯的表面，可以实现对药物的靶向传递，从而减少对正常细胞的损伤，提高治疗效果。

3. 生物相容性：经过适当修饰的石墨烯可以减少对人体的毒副作用，提高其在医药领域中的安全性。

4. 多功能性：石墨烯可以通过修饰不同的官能团实现多种功能，如药物输送、成像、光热治疗等。

生物传感石墨烯的导电性和导热性使其成为一种理想的生物传感器材料。

石墨烯基的生物传感器可以实现对生物分子的高灵敏检测，从而在疾病诊断、生物学研究和环境监测等领域发挥重要作用。

石墨烯功能作用石墨烯是由一层层由碳原子构成的二维晶体结构。

它具有许多独特的功能和作用，使其成为当今科学领域的热门研究课题。

下面将详细介绍石墨烯的功能作用。

石墨烯具有出色的导电性。

由于石墨烯中的碳原子之间只有一个键连接，使得电子能够在其表面自由运动，从而实现了高导电性。

石墨烯的导电性比铜还要好，是当前已知的最好导电材料之一。

这种导电性使石墨烯在电子器件中具有广泛的应用前景，例如用于制造更快速、更小巧的计算机芯片和传感器等。

石墨烯具有出色的热传导性。

由于石墨烯是由一个原子层构成的结构，使得热能可以在其表面快速传导。

石墨烯的热导率比铜还要高，因此在热管理领域具有巨大的潜力。

石墨烯可以应用于制造高效散热材料，例如用于电子设备的散热片，可以有效地将热量传递出去，提高设备的散热效果。

石墨烯还具有出色的力学性能。

虽然石墨烯只有一个原子层的厚度，但其强度却非常高，比钢铁还要强硬。

石墨烯的强度使其成为制造轻量化材料的理想选择。

例如，在航空航天领域，石墨烯可以应用于制造轻量化的飞机结构材料，提高飞机的燃油效率和载重能力。

石墨烯还具有良好的光学性能。

石墨烯对光的吸收率非常低，几乎可以忽略不计，而且对不同波长的光都具有相似的吸收特性。

这种特性使得石墨烯在光学器件中具有广泛的应用前景。

例如，可以利用石墨烯制造高效的太阳能电池，提高太阳能的转换效率。

石墨烯还具有优异的气体阻隔性能。

由于石墨烯的原子层结构非常紧密，使得气体分子很难通过其表面。

石墨烯可以阻隔氧气和水分子的渗透，因此可以应用于制造具有优异气体阻隔性能的包装材料，例如用于食品保鲜和药品保存的包装。

石墨烯还具有出色的化学稳定性。

石墨烯对大多数化学物质都具有良好的耐腐蚀性，不易被化学物质破坏。

这种化学稳定性使得石墨烯在化学领域具有广泛的应用潜力。

例如，可以利用石墨烯制造高效的催化剂，用于加速化学反应速率。

石墨烯具有出色的导电性、热传导性、力学性能、光学性能、气体阻隔性能和化学稳定性等多种功能和作用。

2017年第36卷第5期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·1743·化 工 进展石墨烯在相变材料中的研究进展邹得球，马先锋，刘小诗，郭江荣，胡志钢，王炳辉（宁波大学海运学院，浙江 宁波 315211）摘要：石墨烯具有二维平面结构及优异的热传导性能，将其添加在相变材料中制备成复合相变材料是国内外的研究热点。

本文介绍了石墨烯对相变材料热性能的影响，重点阐述了石墨烯对相变材料导热特性、储、放热特性及相变特性影响，并剖析了其传热机理。

分析了石墨烯对相变材料定型性能的影响，并揭示了其影响机制。

论述了石墨烯对相变材料微胶囊化的影响，并从石墨烯作为微胶囊壁材添加剂及壁材两方面进行了分析。

最后指出了石墨烯复合相变材料的制备及性能研究方面存在的问题，提出未来在复合相变材料的规模化制备技术、传热机理及石墨烯与氧化石墨烯的协同强化作用机制方面需要进一步探索。

关键词：石墨烯；相变材料；复合材料；相变；微胶囊中图分类号：TK02 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）05–1743–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.024Research progress on graphene in phase change materialsZOU Deqiu ，MA Xianfeng ，LIU Xiaoshi ，GUO Jiangrong ，HU Zhigang ，WANG Binghui（Faculty of Maritime and Transportation ，Ningbo University ，Ningbo 315211，Zhejiang ，China ）Abstract ：Graphene has two-dimensional planar structure and excellent thermal conductivity. Adding itinto phase change materials is a hot research topic all over the world. In this paper ，the effect of graphene addition on the thermal properties of phase change materials was introduced ，especially on the thermal conductivity ，heat storage ，heat transfer and phase change characteristics. The effect of graphene on the shape-stabilized performance of phase change materials was also analyzed ，and the mechanism was revealed. Then ，the effect of graphene on the encapsulation of phase change materials was discussed ，and the performances of microcapsules with graphene as the wall additive and wall material were analyzed. Finally ，the problems of preparation and properties on graphene composite phase change material were pointed out. The large-scale preparation of composite phase change materials ，the mechanism of heat transfer and the synergistic enhancement of graphene and graphene oxide should be studied further in the future.Key words ：graphene ；phase change material （PCM ）；composites ；phase change ；microcapsule石墨烯（graphene ）自2004年被GEIM 等[1]用简单的胶带机械剥离法制备以来，一直是国内外学者的研究热点和关注焦点。