石墨烯的化学研究进展

石墨烯的化学研究进展

周一林朱伟涛

（武汉东湖学院15级生命科学与化学学院，430200）

摘要：石墨烯材料自身具备较强的光学性能与电学性能，近几年在化学制备与改良方面具有显著的成效。由于自身所具备的独特性能，导致其在多个领域得到广泛的使用。本文结合石墨烯的化学研究展开进一步研究与分析，进而对石墨烯化学制备与改良性等方面展开深入的探讨。

关键词：石墨烯；化学研究；进展分析

石墨烯是由碳原子形成的二维晶体，其厚度只有一层原子，在最早是由英国曼彻斯特大学所发现。石墨烯具有自身独特的性能，例如光学性能与电学性能，在应用过程中具有较为深远的商业价值。但是在应用之前，要具备较为完善的复制的制备，由于物理方法对石墨烯制备具有较低的可控性，然而化学制备不同。

1.石墨烯

石墨具有三维的层状结构，如果层数小于10，表面的电子状态会与普通的石墨存在显著的区别，因此，层数在10以下的石墨则为石墨烯，并非是单层。石墨烯的晶体结构与苯环存在类似之处，不论是力学性质，还是结构的刚性都较为优异，并具备一定的硬度，自身具备良好的导电性能，也是目前世界上最坚硬、最薄的纳米材料，能够被应用于电子元件中。石墨烯具有较强的导热性能，也是目前导热性能最强的碳材料。除此之外，石墨烯还具有较强的光学特性，即便看上去是透明的，但是对光的吸收能力较弱。

2.石墨烯的化学制备

2.1石墨烯氧化物

在应用石墨烯的过程中，要选择大规模可以复制的制备，在此过程中，要将石墨烯的结构进行规整，控制好其厚度与尺寸。借助物理方法的制备往往很难进行控制，不能进行大规模的制备。化学制备与之相比，具有一定的可行性。

石墨烯的厚度会受到其表面与性质的影响，只有有效地控制石墨烯的厚度，才能够确保其性能得以灵活的调变。一直以来，制备大面积、高质量的石墨烯一直是相关研究领域所研究的重要课题。如果在常温的环境下，氧化还原法是制备石墨烯最为普遍的一种方法。氧化还原的装置较为简易，其操作过程具有流程化与规模化，即便是在装备维护上，也不会投入较高的资金。其中最为重要的一项即借助氧化还原的方法能够将工艺沉积至基底上，便于组装。

氧化还原法是借助强氧化剂与强酸对石墨进行氧化，进而实现氧化反应，随后，借助不同的方法将生物予以还原，形成石墨烯。其中，还原反应具备显著的优势，能够在常温下的制备下形成石墨烯，其制备方法相对简单并温和。但是这种制备方法在应用过程中，会产生较为严重的污染情况，需要在后期投入大量的时间来处理，导致石墨烯不能达到最佳的制备要求。部分研究学者分别对电学性质与其结构进行了全方位的研究，从研究的结果中得知，石墨烯能够借助氧化反应从以往的半金属转化为半导，如图1。在200℃Ar的气氛中将氢去除，其性质会转换为半金属。在投射电子的作用下，在电子显微镜下，能够知道晶态的石墨烯结构，其中是借助氢化反应合成。

2.2掺杂氮化物

在微电子器件中利用石墨烯的前提是带隙、载流子极性的可调性，借助这种调控方式能够将化学掺杂的重要方式得以实现。部分学者利用实验的方式将氮掺杂在石墨烯中，并利用CVD的方式将其得以利用。如果在800℃的环境下，可以将CH4与NH3作为主要的反应气，将被掺杂少量氮的石墨烯中在Cu薄膜中得以成功制备。

石墨烯的氮掺杂在石墨烯电子性质中具有重要的参考价值。在20世纪，相关的研究学者与已经通过理论的方式将C3N4结构中的氮化材料得以预测。在此基础上，还借助制备过程中较为合理的设计理念，将具有结晶态的碳氧化合物进行合成应用，进而衍生出一种新能源即石墨烯，因此，不论是结构还是性质都具有一定的独特性。

2.3石墨烯的表面化学

不论是固体表面的价电子，还是吸附气体分子轨道，二者的相互作用都是借助表面催化的反应得来，也是其本质所能够涉及到的内容，因此，价电子结构会对催化的表面与催化作用具有一定的影响。在零能隙的半导体中主要是以单层的石墨烯为主，这种电子结构会在一定程度上影响着气体分子在表面中的作用。单层的石墨烯是依据活性增强的功能，并在此基础上借助石墨烯的氢化反应与氧化反应的结果得以显示，这能够充分说明石墨烯电子结构的灵活性。

另外，石墨烯的电子结构是借助气体分子的吸附与诱导进而形成一系列变化，其中不仅能够对载流子的浓度发生改变，还能够在其中掺杂多种不同的石墨烯。例如在表面物理中所吸附的NH3，能够为石墨烯提供电子，进而将n-型的掺杂石墨烯得以最终形成。与此同时，可以将石墨烯制作成化学传感器，并在此过程中，借助石墨烯表面的吸附性能，将制备过程得以完成。根据相关研究学者的研究能够得知，石墨烯的化学探测器其中具备的灵敏度与单分子的极限具有显著的相似之处。

由此可知，稳定的单层石墨烯结构在被发现后，专业的研究学者要提升对石墨烯的研究力度，要注重石墨烯在化学领域中的发展前景，这也是当下最为重要的一项目标之一。通过对不同研究方法的情况能够得知，借助化学相沉积法能够帮助石墨烯在生长方面得以显著的进步。另外，纳米、微米技术在石墨烯的制备过程中也得以高效地应用，通过这种方式不仅能够提升企业的经济效益，还能够真正实现科学、高效生产。

结束语

综上所述，石墨烯不论是在光学、电学还是力学中，都具有显著的优势，因此，在材料、能源中具有广阔的发展前景，也是未来科技领域中最具有应用价值的材料。近年来，人们对石墨烯在化学领域中的研究不断深入，并取得了显著的应用效果，不仅能够降低成本，还能够使石墨烯在化学领域中具备更多可行性。

参考文献

[1]魏邦争,陈闻超,朱曦,陈鹏起,程继贵.石墨烯化学镀铜及其对石墨烯/铜基复合材料组织性能的影响[J].粉末冶金技术,2018,36(05):363-369+376.

[2]黄俊雄,黄燕滨,王期超,许诠.镀液中石墨烯含量对镍–磷–石墨烯化学复合镀层耐磨性的影响[J].电镀与涂饰,2018,37(15):671-673.

[3]冯艳,王济奎,张宝剑,孙倩雯,李晓璐,张之翼,唐美华,陈国松.基于氧化石墨烯-纳米镍修饰电极的化学耗氧量即时检测系统[J].分析化学,2018,46(07):1055-1061.

[4]林洁华,张慧慧,楚鹏飞.基于氧化石墨烯信号放大的化学发光法联合检测甲胎蛋白和癌胚抗原[J].化学学报,2012,70(22):2372-2376.