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1、石墨烯的功能化及其相关应用黄毅,陈永胜*功能高分子材料教育部重点实验室;纳米科学与技术中心;南开大学化学学院,高分子化学研究所,天津300071*通讯作者,E-mail:yschen99@nankai.edu.cn收稿日期：2009-05-29;接受日期：2009-06-16摘要石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料,其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质.过去几年中,石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点.在石墨烯的研究和应用中,为了充分发挥其优良性质,并改善其成型加工性(
2、如分散性和溶解性等),必须对石墨烯进行功能化,研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作.但是,关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段,对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识.如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战.本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展,并对功能化石墨烯的应用作了介绍,最后对相关领域的发展趋势作了展望.关键词石墨烯共价键非共价键功能化应用1引言碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料,它可以形成世界上最硬的金刚石,也可以形成最软的石
3、墨.近20年来,碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域,1985年发现的富勒烯[1]和1991年发现的碳纳米管[2]均引起了巨大的研究热潮.2004年,英国科学家发现了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯(Graphe-ne)[3],其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环(图1),是目前最理想的二维纳米材料.石墨烯的发现,充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系,为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的增长点.2004年至今
4、,关于石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文,石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点[4~8].图1石墨烯的基本结构示意图[4]石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成,是世界上最薄的二维材料,其厚度仅为0.35nm.这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象,使石墨烯表现出许多优异性质.例如,石墨烯的强度是已测试材料中最高的[9],达130GPa,是钢的100多倍;其载流子迁移率达15000cm2⋅V−1⋅s−1[10],是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材
5、料的两倍,超过商用硅片迁移率的10倍以上,在特定条件下(如低温骤冷等),其迁移率甚至可达250000cm2⋅V−1⋅s−1[7];其热导率可达5000W⋅m−1⋅K−1,是金刚石的3倍[11];还具有室温量子霍尔效应[12]及室温铁磁性[13]等特殊性质.与碳纳米管相比,石墨烯的主要性能指标均与之相当甚至更好,并且避免了碳纳米管研究和应用中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型分离以及催化剂杂质等难题.平面的石墨烯晶片更容易使用常规加工技术,为制作各种纳米器件带来了极大的灵活性;甚至可能在一片石墨烯上直接加
6、工出各种半导体器件和互连线,从而获得具有重大应用价值的全碳集成电路.由于其优良的机械和光电性质,结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积,可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料.由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点,人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景,可望在21世纪掀起一场新的技术革命.近几年来,人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展,发展了机械剥离[3]、晶体外延生长[14]、化学氧化[15]、化学气相沉积[16]和有机合
7、成[17]等多种制备方法.石墨烯制备技术的不断完善,为基于石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障.但是,在石墨烯通往应用的道路上,还面临着另一个重要的问题,就是如何实现其可控功能化.结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体,化学稳定性高,其表面呈惰性状态,与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱,并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力,容易产生聚集,使其难溶于水及常用的有机溶剂,这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难.为了充分发挥其优良性质,并改善其成型加工性(如提高溶解性、在基
8、体中的分散性等),必须对石墨烯进行有效的功能化.通过引入特定的官能团,还可以赋予石墨烯新的性质,进一步拓展其应用领域.功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段.石墨烯二维晶体的发现为凝聚态物理研究开启了激动人心的一页,而石墨烯的功能化及其应用将为化学和材料领域提供新的机遇.目前,石墨烯的功能化研究才刚刚开始,从功能化的方法来看,主要分为共价键功能化和非共价键功能化两种.本文将重点介绍石墨烯功能化的主要进展及其相关应用
