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[摘要]：自2004年被成功制备以来，石墨烯引起了社会各界的广泛关注。石墨烯材料因其独特的结构，拥有优异的电学、力学、光学等性质。这些优异特质使其在未来的各个领域具有战略性地位。本文主要通过对石墨烯材料在各个领域的应用进行综述，希望对石墨烯材料的应用前景有更清晰的认识。
[关键词]：石墨烯；性质；应用
[引言]：
碳元素是自然界中最为神奇的元素，在自然界中广泛存在。在有机物世界中，碳元素是构成众多有机物的基本骨架；而在无机物世界中，碳单质的多种同素异形体，从石墨与金刚石，到富勒烯和碳纳米管也逐渐被人们认知。2004年，曼彻斯特大学GeimA.K教授等用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，也因此获得2010年诺贝尔物理学奖，至此掀起科学界研究石墨烯的热潮。
1、石墨烯的结构和性质
石墨烯是由单层碳原子在二维平面内以SP2杂化方式形成蜂窝平面薄膜，可在二维平面内无限延伸。碳原子最外层有四个未成键的电子，石墨烯中每个碳原子中有三个外层电子与其他三个碳原子形成C?C共价键，而其余一个未成键电子在与二维平面垂直的方向形成π键。
石墨烯的特殊结构决定其拥有特殊的性质：
1.1电学性质：石墨烯是目前已知的电阻率最低的材料。石墨烯中π电子位于与平面垂直的p轨道内，其自由运动不会与碳原子核发生碰撞，因此石墨烯中自由电子的运动受到的阻力极低。相关研究表明，电子在石墨烯上的传递速率可达光速的1/300，在特定条件下，石墨烯的電子迁移率可以达到25000 cm2V-1s-1，这已经远远超越了目前已知的所有半导体材料[1]。
1.2力学性质：石墨烯特殊的成键方式，使其晶格结构十分稳定，是目前为止最强、最硬的材料。其抗拉强度和弹性模量分别为 125 GPa和 1.1TPa，杨氏模量约为42 N/m2[2]，石墨烯的力学性质意味着它可以承受巨大的作用力，其柔韧性也保证它在弯曲变形的同时结构不会破坏。
（3）光学性质：单层石墨烯对可见光以及近红外波段光垂直的吸收率仅为2.3%[3]，对所有波段的光无选择性吸收，因此它的透光率极大，几乎是透明状态。
（4）导热性质。石墨烯的晶体结构决定其具有良好的导热性，研究表明石墨烯的热导率可达5000Wm-1K-1[4]。
2、石墨烯材料的应用
石墨烯的特殊性能意味着石墨烯及其衍生材料有着巨大的应用前景，已经或者未来将被使用在诸如电子信息、能源、环境保护、生物医药、航空航天等领域。
2.1石墨烯在电子信息领域的应用
石墨烯材料因其优异的电学性质和光学性质，将会在在电子信息领域发挥革命性的作用。
在过去的几十年中，硅基材料一直是电子信息产业的核心材料，但面临着难以进一步集约化、微型化的难题。石墨烯的出现，有望成为硅的代替品，电子信息领域也由“硅时代”进入“碳时代”[5]。一方面，石墨烯具有超高的电子迁移率，用石墨烯取代硅制造芯片，计算机处理器的运行速度将会快数百倍；石墨烯良好的导热性，允许计算机可以有更高的运行频率，同时消耗更少的能耗；同时也为未来电子产品的进一步微型化提供了可能。另一方面，石墨烯作为单原子层的二维材料，几乎是透明的，同时具有极佳的柔韧性，因此它非常适合作为柔性的、透明的电子产品的原料，比如可以卷曲的手机屏幕等，这将极大地改善人们的体验效果。
2.2石墨烯在能源领域的应用
石墨烯材料在能源领域的应用，主要有太阳能电池、锂离子电池、超级电容器[6]。
2.2.1太阳能电池：太阳能电池作为把太阳能转化为电能的装置，受到越来越多的关注。目前使用最广的主要是硅太阳能电池，但是制造成本高，且会带来严重的环境污染。石墨烯由于其优异的电化学性能，在太阳能电池方面具有广泛的应用前景。一方面，石墨烯材料的高透光性、载流子迁移率高、宽光谱范围等特性，能极大提高太阳能电池的转化效率；另一方面，在室温条件下，石墨烯性质稳定，保证了太阳能电池的稳定性。
2.2.2锂离子电池：锂离子电池是目前应用最广的二次电池，大多使用在在便携式电子设备中，近来逐渐被用于大功率的动力电池领域。石墨烯具有高的比表面积、sp2杂化的二维平面结构，这使得石墨烯具有最高的電子导电性，从而成为制备锂离子电池电极材料的最佳候选材料。目前的研究现状是将石墨烯与与硅基、锡基、钒系等其他材料进行复合，作为锂离子电池的电极材料，能极大提高锂离子电池的能量密度和充放电速率，但在使用寿命和稳定性方面存在问题，需要进一步的研究。
2.2.3超级电容器：超级电容器是一种新型的储能装置，具有高功率、相对高的能量密度、循环寿命长、安全性和环境友好性等特点。石墨烯的高比表面积、优异的电学性能和稳定的化学性能等特点，在超级电容器领域备受关注。Stoller等[7]以KOH化学改性的石墨烯作为电极材料，验证了石墨烯应用在超级电容器电极材料领域的可行性。石墨烯作为超级电容器的电极材料可以大幅提高电容值，同时也可以保证其发生柔性变形是电化学性质的稳定，因此柔性超级电容器具有很好的应用前景。
2.3石墨烯在环境保护领域的应用
环境污染是当今社会面临的重大挑战，尤其是空气污染和水污染会严重危害人们的健康。石墨烯材料在环境保护领域也可以起到相应的作用。石墨烯材料巨大的比表面积赋予其优良的吸附能力，尤其是对有机物吸附性更强，因此石墨烯有望成为继活性炭之后最有效、最广泛的吸附剂。同时，功能化石墨烯材料含有丰富的含氧基团，这些含氧基团能够高效地与重金属离子作用，可以应用于净化重金属离子污染的污水。此外，石墨烯还可以与金属、金属氧化物等构成复合材料，不仅对金属离子的吸附具有高度选择性，而且通过负载光催化材料，如TiO2，可以有效分解有毒、有害的有机物，在污水处理和空气净化中都可以发挥很大作用[8]。 2.4石墨烯在生物医药领域的应用
功能化石墨烯表面含有大量的活性基团，比如羰基、羧基、羟基及环氧基等，这些基团使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性，因此可以应用于生物医药领域[9]。
2.4.1药物载体：目前癌症的治疗手段主要为化疗和放疗，但是这两种治疗效果不佳且存在许多的副作用。石墨烯较大的比表面积和其衍生物表面丰富的官能团（环氧基、羟基、羧基）与抗癌药物结合形成的复合物通过修饰、控制颗粒的大小以及利用可透过血脑屏障等特点实现癌症药物的靶向治疗，是一个很有前景的材料。
2.4.2抗菌：人类滥用抗生素导致耐药性、超级细菌的产生，所以人类不得不从新的角度去发展抗菌类药物，不仅要提高抗菌效果，还要减小对人类及环境的危害。近年来，人们发现石墨烯及其衍生物与动物细胞具有很好的生物相容性，可以与细菌相互作用起到抗菌作用。石墨烯及其衍生物除了自身与细菌作用之外，石墨烯家族还可以充当抗菌药物的载体。
2.4.3检测与传感：目前利用石墨烯及其衍生物来制造电化学传感器和生物传感器以提高检测性能方面已经有了很大的进步。目前石墨烯以及電极修饰的石墨烯复合材料已被提倡用于临床、环境等方面的检测，其中血糖测量用的最广泛，比起传统方法提高了检测的灵敏度。
2.5石墨烯在航空航天领域的应用
石墨烯材料在航空航天领域也有巨大的应用潜力。随着航空航天活动越来越频繁，对高性能的航空航天材料的需求越来越迫切；而且由于航空航天材料的使用环境和条件特殊，对其性能的要求更为苛刻[10]。石墨烯材料的优异性质，恰好可以满足这些要求。石墨烯具有优越的力学性能、热学性能、电学性能和阻隔性能，这些性能在航空航天领域都至关重要。石墨烯材料具有轻质、高强度的特点，可作为航天器的结构材料；石墨烯可以增强粉末高温合金，在提高其机械性能的同时改善其耐高温性能；石墨烯与其它材料复合，还可以将热、电和阻隔性能赋予材料，为材料的多功能创造机会。
3、结语
如上所述，石墨烯材料在诸多领域的应用已经取得很大进展，能够给这些领域带来巨大的进步，但相关研究大都处于实验室阶段，尚未达到成熟应用的水平。因此，石墨烯材料的实际应用还有很长的一段路要走。要想使石墨烯材料尽早地实现产业化，真正为人们所用，还要解決许多关键性的技术问题，这也是研究人员的目前的研究热点。相信随着研究的深入，技术的成熟，石墨烯材料的应用领域会更加广泛，人类社会将进入全新的“碳时代”。
[参考文献]：
[1] 杨常玲， 刘云芸， 孙彦平. 石墨烯的制备及其电化学性能[J]. 电源技术， 2010，34（2）：177-180.
[2] 韩同伟， 贺鹏飞， 骆英，等. 石墨烯力学性能研究进展[J]. 力学进展， 2011， 41（3）：279-293.
[3] 陈英良， 冯小波， 侯德东. 单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究*[J]. 物理学报， 2013，62（18）：187301.
[4]张文毓， 全识俊. 石墨烯应用研究及进展[J]. 传感器世界， 2011， 17（5）：7-12.
[5]吴波. 石墨烯的研究现状及其在电子信息产业中的应用前景[J]. 中国玻璃， 2015（6）：27-30.
[6] 徐驰， 朱和国， XUChi，等. 石墨烯的制备及其在能源方面的应用研究进展[J]. 材料科学与工程学报， 2016， 34（2）：326-332.
[7] STOLLER M D， PARK S， ZHU Y， et al. Graphene-based ultracapacitors [J]. NanoLett， 2008， 8（10）： 3498-3502.
[8] 程梦婷， 刘倩， 刘稷燕，等. 石墨烯在环境有机污染物分析中的应用进展[J]. 环境化学， 2014， 1（10）：1733-1743.
[9] 俞淼， 武洋， 苏昊然，等. 石墨烯及其衍生物的生物医学应用[J]. 中国医药生物技术， 2016， 11（4）：346-350.
[10]唐见茂. 航空航天复合材料发展现状及前景[J]. 航天器环境工程， 2013， 30（4）：352-359.
[关键词]：石墨烯；性质；应用
[引言]：
碳元素是自然界中最为神奇的元素，在自然界中广泛存在。在有机物世界中，碳元素是构成众多有机物的基本骨架；而在无机物世界中，碳单质的多种同素异形体，从石墨与金刚石，到富勒烯和碳纳米管也逐渐被人们认知。2004年，曼彻斯特大学GeimA.K教授等用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，也因此获得2010年诺贝尔物理学奖，至此掀起科学界研究石墨烯的热潮。
1、石墨烯的结构和性质
石墨烯是由单层碳原子在二维平面内以SP2杂化方式形成蜂窝平面薄膜，可在二维平面内无限延伸。碳原子最外层有四个未成键的电子，石墨烯中每个碳原子中有三个外层电子与其他三个碳原子形成C?C共价键，而其余一个未成键电子在与二维平面垂直的方向形成π键。
石墨烯的特殊结构决定其拥有特殊的性质：
1.1电学性质：石墨烯是目前已知的电阻率最低的材料。石墨烯中π电子位于与平面垂直的p轨道内，其自由运动不会与碳原子核发生碰撞，因此石墨烯中自由电子的运动受到的阻力极低。相关研究表明，电子在石墨烯上的传递速率可达光速的1/300，在特定条件下，石墨烯的電子迁移率可以达到25000 cm2V-1s-1，这已经远远超越了目前已知的所有半导体材料[1]。
1.2力学性质：石墨烯特殊的成键方式，使其晶格结构十分稳定，是目前为止最强、最硬的材料。其抗拉强度和弹性模量分别为 125 GPa和 1.1TPa，杨氏模量约为42 N/m2[2]，石墨烯的力学性质意味着它可以承受巨大的作用力，其柔韧性也保证它在弯曲变形的同时结构不会破坏。
（3）光学性质：单层石墨烯对可见光以及近红外波段光垂直的吸收率仅为2.3%[3]，对所有波段的光无选择性吸收，因此它的透光率极大，几乎是透明状态。
（4）导热性质。石墨烯的晶体结构决定其具有良好的导热性，研究表明石墨烯的热导率可达5000Wm-1K-1[4]。
2、石墨烯材料的应用
石墨烯的特殊性能意味着石墨烯及其衍生材料有着巨大的应用前景，已经或者未来将被使用在诸如电子信息、能源、环境保护、生物医药、航空航天等领域。
2.1石墨烯在电子信息领域的应用
石墨烯材料因其优异的电学性质和光学性质，将会在在电子信息领域发挥革命性的作用。
在过去的几十年中，硅基材料一直是电子信息产业的核心材料，但面临着难以进一步集约化、微型化的难题。石墨烯的出现，有望成为硅的代替品，电子信息领域也由“硅时代”进入“碳时代”[5]。一方面，石墨烯具有超高的电子迁移率，用石墨烯取代硅制造芯片，计算机处理器的运行速度将会快数百倍；石墨烯良好的导热性，允许计算机可以有更高的运行频率，同时消耗更少的能耗；同时也为未来电子产品的进一步微型化提供了可能。另一方面，石墨烯作为单原子层的二维材料，几乎是透明的，同时具有极佳的柔韧性，因此它非常适合作为柔性的、透明的电子产品的原料，比如可以卷曲的手机屏幕等，这将极大地改善人们的体验效果。
2.2石墨烯在能源领域的应用
石墨烯材料在能源领域的应用，主要有太阳能电池、锂离子电池、超级电容器[6]。
2.2.1太阳能电池：太阳能电池作为把太阳能转化为电能的装置，受到越来越多的关注。目前使用最广的主要是硅太阳能电池，但是制造成本高，且会带来严重的环境污染。石墨烯由于其优异的电化学性能，在太阳能电池方面具有广泛的应用前景。一方面，石墨烯材料的高透光性、载流子迁移率高、宽光谱范围等特性，能极大提高太阳能电池的转化效率；另一方面，在室温条件下，石墨烯性质稳定，保证了太阳能电池的稳定性。
2.2.2锂离子电池：锂离子电池是目前应用最广的二次电池，大多使用在在便携式电子设备中，近来逐渐被用于大功率的动力电池领域。石墨烯具有高的比表面积、sp2杂化的二维平面结构，这使得石墨烯具有最高的電子导电性，从而成为制备锂离子电池电极材料的最佳候选材料。目前的研究现状是将石墨烯与与硅基、锡基、钒系等其他材料进行复合，作为锂离子电池的电极材料，能极大提高锂离子电池的能量密度和充放电速率，但在使用寿命和稳定性方面存在问题，需要进一步的研究。
2.2.3超级电容器：超级电容器是一种新型的储能装置，具有高功率、相对高的能量密度、循环寿命长、安全性和环境友好性等特点。石墨烯的高比表面积、优异的电学性能和稳定的化学性能等特点，在超级电容器领域备受关注。Stoller等[7]以KOH化学改性的石墨烯作为电极材料，验证了石墨烯应用在超级电容器电极材料领域的可行性。石墨烯作为超级电容器的电极材料可以大幅提高电容值，同时也可以保证其发生柔性变形是电化学性质的稳定，因此柔性超级电容器具有很好的应用前景。
2.3石墨烯在环境保护领域的应用
环境污染是当今社会面临的重大挑战，尤其是空气污染和水污染会严重危害人们的健康。石墨烯材料在环境保护领域也可以起到相应的作用。石墨烯材料巨大的比表面积赋予其优良的吸附能力，尤其是对有机物吸附性更强，因此石墨烯有望成为继活性炭之后最有效、最广泛的吸附剂。同时，功能化石墨烯材料含有丰富的含氧基团，这些含氧基团能够高效地与重金属离子作用，可以应用于净化重金属离子污染的污水。此外，石墨烯还可以与金属、金属氧化物等构成复合材料，不仅对金属离子的吸附具有高度选择性，而且通过负载光催化材料，如TiO2，可以有效分解有毒、有害的有机物，在污水处理和空气净化中都可以发挥很大作用[8]。 2.4石墨烯在生物医药领域的应用
功能化石墨烯表面含有大量的活性基团，比如羰基、羧基、羟基及环氧基等，这些基团使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性，因此可以应用于生物医药领域[9]。
2.4.1药物载体：目前癌症的治疗手段主要为化疗和放疗，但是这两种治疗效果不佳且存在许多的副作用。石墨烯较大的比表面积和其衍生物表面丰富的官能团（环氧基、羟基、羧基）与抗癌药物结合形成的复合物通过修饰、控制颗粒的大小以及利用可透过血脑屏障等特点实现癌症药物的靶向治疗，是一个很有前景的材料。
2.4.2抗菌：人类滥用抗生素导致耐药性、超级细菌的产生，所以人类不得不从新的角度去发展抗菌类药物，不仅要提高抗菌效果，还要减小对人类及环境的危害。近年来，人们发现石墨烯及其衍生物与动物细胞具有很好的生物相容性，可以与细菌相互作用起到抗菌作用。石墨烯及其衍生物除了自身与细菌作用之外，石墨烯家族还可以充当抗菌药物的载体。
2.4.3检测与传感：目前利用石墨烯及其衍生物来制造电化学传感器和生物传感器以提高检测性能方面已经有了很大的进步。目前石墨烯以及電极修饰的石墨烯复合材料已被提倡用于临床、环境等方面的检测，其中血糖测量用的最广泛，比起传统方法提高了检测的灵敏度。
2.5石墨烯在航空航天领域的应用
石墨烯材料在航空航天领域也有巨大的应用潜力。随着航空航天活动越来越频繁，对高性能的航空航天材料的需求越来越迫切；而且由于航空航天材料的使用环境和条件特殊，对其性能的要求更为苛刻[10]。石墨烯材料的优异性质，恰好可以满足这些要求。石墨烯具有优越的力学性能、热学性能、电学性能和阻隔性能，这些性能在航空航天领域都至关重要。石墨烯材料具有轻质、高强度的特点，可作为航天器的结构材料；石墨烯可以增强粉末高温合金，在提高其机械性能的同时改善其耐高温性能；石墨烯与其它材料复合，还可以将热、电和阻隔性能赋予材料，为材料的多功能创造机会。
3、结语
如上所述，石墨烯材料在诸多领域的应用已经取得很大进展，能够给这些领域带来巨大的进步，但相关研究大都处于实验室阶段，尚未达到成熟应用的水平。因此，石墨烯材料的实际应用还有很长的一段路要走。要想使石墨烯材料尽早地实现产业化，真正为人们所用，还要解決许多关键性的技术问题，这也是研究人员的目前的研究热点。相信随着研究的深入，技术的成熟，石墨烯材料的应用领域会更加广泛，人类社会将进入全新的“碳时代”。
[参考文献]：
[1] 杨常玲， 刘云芸， 孙彦平. 石墨烯的制备及其电化学性能[J]. 电源技术， 2010，34（2）：177-180.
[2] 韩同伟， 贺鹏飞， 骆英，等. 石墨烯力学性能研究进展[J]. 力学进展， 2011， 41（3）：279-293.
[3] 陈英良， 冯小波， 侯德东. 单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究*[J]. 物理学报， 2013，62（18）：187301.
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[6] 徐驰， 朱和国， XUChi，等. 石墨烯的制备及其在能源方面的应用研究进展[J]. 材料科学与工程学报， 2016， 34（2）：326-332.
[7] STOLLER M D， PARK S， ZHU Y， et al. Graphene-based ultracapacitors [J]. NanoLett， 2008， 8（10）： 3498-3502.
[8] 程梦婷， 刘倩， 刘稷燕，等. 石墨烯在环境有机污染物分析中的应用进展[J]. 环境化学， 2014， 1（10）：1733-1743.
[9] 俞淼， 武洋， 苏昊然，等. 石墨烯及其衍生物的生物医学应用[J]. 中国医药生物技术， 2016， 11（4）：346-350.
[10]唐见茂. 航空航天复合材料发展现状及前景[J]. 航天器环境工程， 2013， 30（4）：352-359.