世界各地的科研人員對石墨烯報以巨大的研究熱情，一方面集中于其獨特的結構和優(yōu)異的性質，另一方面則是聚焦于其對社會生產生活方式的改進甚至是顛覆性的應用潛力。這也是英國曼徹斯特大學AndreGeim和KostyaNovoselov團隊相關工作被諾貝爾委員會認可的最重要原因之一。石墨烯潛在的重要前沿應用涉及多個方面，本文將從電化學儲能、海水淡化、生物應用等角度介紹近兩年以來國內外研究機構取得的一些研究進展及應用情況。

一、電化學儲能

業(yè)內專家認為，電化學儲能是石墨烯最有可能實現(xiàn)規(guī)模化量產的領域，尤其是在超級電容器和電池這兩個方向。據(jù)印度市場研究機構Azoth Analytics在2017年8月發(fā)布的石墨烯電池研究報告，未來7年，全球石墨烯電池(包括鋰離子電池、鋰硫電池、超級電容器、鉛酸電池等)市場的年均復合增長率將達38.34%。報告指出，電動汽車銷量的增加以及人們對便攜式消費電子產品需求的增長是推動石墨烯電池市場持續(xù)快速增長的主要動力;此外，可再生能源發(fā)電站的快速增加也是不可小覷的因素。歐洲區(qū)域在2016年是最大的石墨烯電池市場，到了2024年，由于消費人口以及清潔燃料需求，亞太區(qū)域有望獲得最高增長速率。來自美國的XG Sciences、Cabot、Graphene 3D Lab等企業(yè)將成為全球領先的石墨烯電池技術供應商。

1.電極材料

英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所的研究人員利用簡單可擴展的絲網印刷技術，在織物表面直接印上類似柔性電池的設備，不僅像普通布料一樣柔軟，還可以給可穿戴設備供電。超級電容器組件是實現(xiàn)該方案的技術途徑[[3]]。清華大學研究人員采用具有超高比表面積的非堆棧石墨烯，研制出納米結構的鋰電池陽極材料，可抑制鋰電池中的枝晶生長，提升其電化學性能。由于非堆棧石墨烯的孔隙容量達到1.65 cm2/g，該陽極的穩(wěn)定循環(huán)性能可達4.0 mAh/mg，比鋰電池中的石墨烯陽極高出10倍多[[4]]。美國斯坦福大學利用疏水、低氣體滲透性的石墨烯包裹鋰合金納米顆粒，制成鋰合金/石墨烯負極材料，用于以磷酸鐵鋰(LiFePO4)、五氧化二釩(V2O5)、硫(S)為正極材料的鋰電池中，對比實驗表明，高電流密度下充放電循環(huán)400次后，電池能保持初始容量的98%[[5]]。美國加州大學洛杉磯分校研究團隊利用五氧化二鈮(Nb2O5)與氧化石墨烯混合，通過還原反應制備得到的三維多孔石墨烯復合材料，解決了電極性能隨負載量急速下降的難題，首次在高負載(>10 mg/cm2)電極中同時實現(xiàn)了較高的容量和極高的功率特性[[6]]。華南理工大學和南卡羅來納大學聯(lián)合團隊通過溶劑熱方法，制備出石墨烯包覆硒化銻(Sb2Se3)的多維納米結構，具備良好的倍率性能和循環(huán)性能。為儲鈉性能優(yōu)異的電極材料開發(fā)提供了新的研究思路和理論支持。

2.超級電容器

清華大學深圳研究生院的研究人員利用氧化石墨烯，并借助二氧化鈦輔助紫外光還原，構筑得到三明治結構的“不含導電添加劑、粘結劑、商業(yè)化隔膜和集流體”的超級電容器。該電容器具有良好的機械穩(wěn)定性，進行90°和180°彎曲之后，其電化學性能并未降低。中國科學院金屬研究所和南京大學聯(lián)合團隊以高導電石墨烯泡沫為框架，設計制備出一種摻氮的三維石墨烯網絡結構，氮的摻雜程度達15.8%(原子百分數(shù))。當用作超級電容器的電極材料時，研究顯示，三電極系統(tǒng)中在中性、酸性和堿性電解液中的比電容值分別為245、332、380F/g。在實際應用器件中，實現(xiàn)了297 F/g的比電容值，充放電4600次之后電容保持率為93.5%，內阻僅為0.4 Ω。

利用(類)電池材料和(類)電容器材料組裝制得的離子電容器也是一大研究熱點，這類器件集聚了電池和超級電容器的優(yōu)點，即具有較高的能量密度，而且倍率高、使用壽命長。美國加州大學洛杉磯分校以介孔單晶二氧化鈦/石墨烯復合材料作為負極，商業(yè)化活性炭為正極，制備出具有較高工作電壓(1~3.8 V)的鈉離子電容器。通過優(yōu)化石墨烯含量，可實現(xiàn)高儲鈉容量(5C下為126 mAh/g)、高倍率(20C，約1min充放電)和長循環(huán)壽命(18 000圈無明顯衰減)。

二、海水淡化等分離膜

隨著人口的增長以及一定程度上由于氣候變化引起的水供給減少，尋找水源成為越來越迫切的一項任務。地球上的淡水資源只占水體總量的3%不到，淡化海水或將是出路之一。

而“多功能”的石墨烯也參與到了這一領域當中。日本信州大學和美國賓夕法尼亞州立大學組成聯(lián)合團隊利用噴涂技術將溶液中的氧化石墨烯和少層石墨烯組成的混合物噴涂到經過聚乙烯醇改性的聚砜樹脂膜上，可實現(xiàn)85%鹽分、96%染料的分離，盡管處理之后的海水暫無法飲用，但可用于農業(yè)灌溉。同時，石墨烯的加入可提高膜對氯的耐受性[[4]]。北京大學利用等離子體增強化學氣相沉積方法制備出具有連續(xù)孔隙的多級結構石墨烯泡沫：在多孔石墨烯泡沫的框架上構筑了垂直的石墨烯納米片陣列結構。該輕質泡沫具有良好的抗腐蝕性，可用于污水處理、海水淡化等光熱轉換應用。在海水淡化方面，太陽蒸汽轉化效率逾90%，高于大多數(shù)現(xiàn)有的光熱轉換材料，并且具有較好的循環(huán)性和耐久性。美國華盛頓大學的工程師利用細菌產生的納米纖維，制成2層生物膜，可用于水的凈化。其中，上層含有可吸收太陽能產生熱量的氧化石墨烯，下層則是原始纖維素。凈化過程類似于海綿吸水，雜質留下來后，干凈的水被蒸發(fā)到了上層。英國曼徹斯特大學的一項研究顯示，經過不同濕度處理之后，氧化石墨烯的層間距可控制在0.64~0.98 nm，將宏觀厚度為100μm的氧化石墨烯膜用環(huán)氧樹脂封裝進行物理限制后，可有效抑制其在水中的溶脹，對氯化鈉(NaCl)的截留率可達97%。通道減小，會使得離子滲透率以指數(shù)形式下降，但不大影響水分子的傳質速度。

除了海水淡化，油水分離也是研究熱點之一。中國科學技術大學首次在多孔疏水親油吸附材料中引入焦耳熱效應，利用離心輔助浸漬涂覆技術，設計出具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯功能化海綿，原油吸附時間降低了94.6%。通過陣列電極設計，可實現(xiàn)規(guī)模化生產，具有廣泛的應用前景。

三、生物應用

單層石墨烯是碳原子以sp2雜化連成的單原子層，厚度僅為0.335 nm，具有極大的比表面積，可負載包括藥物、生物活性分子、熒光分子、電化學活性分子以及金屬原子等在內的各種分子，實現(xiàn)在靶向藥物輸送、細胞成像、腫瘤治療以及生物分子檢測、分離等領域的應用。美國伊利諾伊大學芝加哥分校的一項研究發(fā)現(xiàn)，腦細胞與石墨烯相互作用后，可區(qū)分出活躍的癌細胞和普通細胞。當石墨烯遇到癌細胞時，后者使前者的電荷重新分布，使其表面具有更多的負電荷，并釋放出更多的質子。美國羅格斯大學新布朗斯維克分校的研究人員利用人體的呼出氣冷凝液，設計了一種基于石墨烯的生物傳感器，可以早期檢測哮喘發(fā)作，改進哮喘及其他呼吸系統(tǒng)疾病的治療。

石墨烯量子點有望替代重金屬量子點，其具有可調的光致發(fā)光性、低細胞毒性以及較好的生物相容性，在細胞成像、生物傳感和藥物輸送等方面已取得一定的研究成果。在“2017中國(無錫)石墨烯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大會”上，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的創(chuàng)業(yè)團隊展示了“摻雜石墨烯量子點在腫瘤極早期偵測及可視化智能治療中的應用”項目成果，通過將石墨烯量子點用于腫瘤發(fā)現(xiàn)及治療過程，極大提高了腫瘤的發(fā)現(xiàn)率及治療效果。

四、其他

除了上述領域的應用，石墨烯在圖像傳感、太赫茲器件、電磁屏蔽等領域也有眾多新興應用。西班牙光子科學研究所的研究人員將金屬、PbS膠質量子點半導體材料與石墨烯相混合，并置于CMOS晶圓上，與圖像處理芯片封裝單元和讀取電路相連，研制出能感應300～2000 nm波長的高分辨圖像傳感器，完整地覆蓋了整個可見光范圍[[4]]。意大利國家研究理事會納米科學研究所、英國劍橋大學組成的聯(lián)合團隊制備出一種太赫茲可飽和吸收器，與其他設備相比，其吸收調制數(shù)量級要高一級。中國電子科技集團公司第十三研究所與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研制出可在室溫環(huán)境下工作的低阻抗高靈敏度石墨烯太赫茲探測器，實現(xiàn)外插混頻和分諧波混頻探測，最高探測頻率達650 GHz，工作頻率和靈敏度均達到同類探測器中的最高水平。

碳納米管、石墨烯等傳統(tǒng)的單體碳材料由于受到單一結構特征的限制，電磁屏蔽效能較難得以進一步提升。為解決這一問題，西北工業(yè)大學研究人員通過化學氣相沉積方法，將石墨烯納米片與碳納米管進行雜化連接，利用雜化體所具有的跨尺度缺陷、界面實現(xiàn)了對電磁波吸收屏蔽效能的提升。研究顯示，與同密度碳納米管泡沫相比，該雜化體泡沫的電磁屏蔽效能提高了80%～110%，比屏蔽效能達到6 600 dB/ (g/cm3)為當前報道的最高值。

五、展望

自2004年，石墨烯以穩(wěn)定的形態(tài)出現(xiàn)以來，以其獨特的物理化學性質和二維結構受到全世界科研界和產業(yè)界等的熱切關注。無論是理論研究還是實驗研究，石墨烯都展現(xiàn)出重大的科學意義和應用價值。近年來，石墨烯在制備、表征、應用等領域的研究進展層出不窮，取得了眾多的研究成果，然而也存在一定的問題。可以說，從實驗室到市場還有很長的一段路要走。例如，諸多的石墨烯產品是多晶復合體，而不是完整的單晶，這就使得優(yōu)異性能大打折扣。此外，石墨烯沒有帶隙，這在電子領域是一短板，如果要取代硅基晶體管，則需人工植入帶隙，然而這并非易事。因而，“類石墨烯二維材料”成了又一個新的研究熱點。當前，世界各地的研究人員仍需繼續(xù)努力，方可早日實現(xiàn)石墨烯名副其實地才盡其用。

文/萬 勇(中國科學院武漢文獻情報中心)