文摘
石墨烯是一种二维材料从单个原子获得高质量的具有独特的电子性质。石墨烯有潜力提高效率,多功能性和耐用性的范围广泛的材料和他们的应用程序,但它的商业开发,需要进一步研究。由于其平面和semiconductivity除了高表面积、高机械刚度,热稳定性高,优良的导热性、导电性、良好的生物相容性,和简单的功能化石墨烯是最好的候选人为多功能的应用程序打开新的可能性潜在的设备和系统。每一种类型的石墨烯材料表现出不同的和独特的可调谐特性。石墨烯是最佳人选在nanocomposite-based电化学传感器。石墨烯是最好的电子材料,但合成一张石墨烯尚未引起足够的关注。本章的目的是让读者意识的合成、性质,石墨烯的应用程序。当前知识库的局限性和未来的研究方向相关的石墨烯材料也已说明。
1。介绍
石墨烯已经收到了大量的关注作为多功能材料近年来,可能是由于其非凡的属性,如电流密度高、化学稳定性、弹道运输、光学性质、高的热导率,和上级疏水性纳米。方法被称为微机械乳沟被用来删除第一个从石墨石墨烯。这个方法似乎很简单,有可能使优质石墨烯微晶,导致一系列新的实验(1- - - - - -4]。内在石墨烯半导体材料是一种半金属或零带隙的透明度为原子吸收比单层低2.3%的可见光由于其独特的电子性质。它也一直在探索石墨烯片的电阻率优于铂,电阻率最低的材料在室温下。电气性能的石墨烯带的制作都与锯齿形或扶手椅上配置不同(GNRs);曲折GNRs展览金属性质,而扶手椅像金属或半导体。扶手椅的能量带隙GNRs”被发现不同反向的宽度(5,6]。
独特的电学性质被石墨烯一直在利用应用程序相关电子产品如晶体管、场发射器,集成电路模块、透明导电电极、电化学和生物传感器。许多类型的石墨烯材料,如单一的多层石墨烯,氧化石墨烯(去),减少氧化石墨烯(rGO)和石墨烯量子点(GQDs)申请品种的制造电化学和生物传感器的应用。由于石墨烯表现出高电子(或孔)流动性和约翰逊噪声低,它可以用作一个场效应晶体管管(场效应晶体管)。因为它的二维结构,它的整个体积暴露在环境中,使它非常有效地检测吸附分子。此外,石墨烯还发现应用在触摸屏,显示、有机光伏电池和有机发光二极管(oled) [6]。大多数上述有趣的应用程序创建了一个伟大的需求上的单层石墨烯修饰合适的基质,这是极其困难的监视和尚未实现。许多报道在石墨烯的合成,其中大部分依靠机械剥离的石墨,碳化硅表面热石墨化,而最近,化学气相沉积(7- - - - - -13]。本章首先简要描述了石墨烯的重要属性,其次是回顾的合成技术,以及它们的可行性和可能的应用领域如场发射、能源、电子、光催化、传感器。改性石墨烯材料的优异性能,如高表面积和可用性表面的官能团与碳纳米管相比,让他们申请巨大的电化学传感器阵列。
2。石墨烯的性质
石墨烯是一种碳纳米材料被认为是先进的。这是一个二维的碳原子表。图1表明碳原子排列在一个六角网络。在2004年这一历史材料合成使用透明胶带剥离法(14]。石墨烯也可以被可视化为单层的碳原子排列的形式六角三维晶格,如前所述。多功能原子结构的石墨烯可用于创建其他碳基材料/纳米材料。表也可以扭曲成富勒烯,碳纳米管,石墨叠加(15]。
石墨烯的导电性能也明显受到的对称方向2 pz轨道(16- - - - - -18]。声学声子的热导率的原因是环境条件下单独层石墨烯(19]。这种热导率发生由于缺乏晶体缺陷和翻转过程的抑制20.]。这些因素有助于未来石墨烯生产的重要性nanoelectric设备(21]。在微观层面,石墨烯晶体通常保存完好的和非常稳定22]。这些石墨烯的性质导致其优良的导热(图2)。他们被认为是一种高强度材料的力学性能。石墨烯的产量能力是42 N / m。他们有一个机械应变约为25% (24]。机械应力测量也可以用来监控机械厚度(21,25]。正如前面提到的,石墨烯是由碳原子厚度的二维层之一。这些特性,以及它们sp2的一个组成部分,区别于碳材料。存在的一个大表面积是这些属性之一(26- - - - - -28]。石墨烯也完全透明;在物理性质方面,它比一张纸薄几百万倍。的厚度,可以理解,一百万张纸都等于1毫米的石墨烯。
3所示。石墨烯的合成
石墨烯合成工艺是由大小和最终产品的纯度。直到1970年代末,几种方法合成薄石墨电影使用了(29日- - - - - -31日)(图3)。1975年,化学淀积是用于创建更小的石墨层。然而,由于很难分类所需的材料,这不是对于许多应用程序,这种材料并不是归类为石墨烯。的其他方面的材料,如他们的电子性质,当时没有研究[32]。罗夫等人研究了孤立的可能性薄石墨片在1990年代二氧化矽基板上。在这项工作中,研究者使用高定向热解石墨摩擦的岛(33]。调查无法获得详细信息材料的电性质表征。金等人用同样的方法在2005年调查,以及石墨烯的电特性被在他们的发现32]。海姆et al。34)进行了一次调查,导致一个突破性的发现。他们的研究集中在SiO石墨烯的摆设2衬底以及电特性的测量。自2015年以来,各种方法生产石墨和石墨烯层的电影已经使用。石墨烯被发现是一个二维晶体在2004年的一个实验进行。十年前,机械剥离的石墨生产第一种石墨烯片的形式(35]。虽然使用这些方法生成的石墨烯是优质的,有现实的挑战在扩大的大规模生产制造过程需要打破圆片规模石墨烯。机械剥离、化学剥离(36,化学合成8,12),和热化学气相沉积(CVD) (37- - - - - -40)都已经使用在过去的方法。其他方法包括测定纳米管41,42)和微波合成。机械剥离与悬臂已被证明产生分层的石墨烯在最近的研究43- - - - - -48]。石墨烯厚度范围从10到30 nm,堪比30-layer石墨烯。化学剥离过程,溶液中分散石墨剥落是强碱性离子引入石墨的层(49]。分解氧化石墨,扩散在一个解决方案,和肼的使用都是化学合成的石墨烯的一部分。独立的进程也参与纳米管的融合。热化学汽相淀积方法已被证明是最好的生产石墨烯的方法。PECVD或"增强化学汽相淀积是一个过程,涉及plasma-assisted发展。这些方法有其各自的优点和缺点。使用机械剥离技术将帮助单和少层石墨烯的制备。相同的生成结构的石墨烯这种技术将是关键的挑战[50- - - - - -54]。
化学合成技术在低温下进行,使其更容易制造石墨烯在不同基质在房间温度;然而,大多数时候,石墨烯在这些条件下形成不均匀和分散。石墨烯合成也可以通过降低石墨烯氧化物(RGOs),导致氧化石墨还原法是足够了。这引发了更多的担忧它的电气性能。热化学气相沉积也适合制作大面积设备(55- - - - - -58]。SiC结果的热石墨化发展的外延石墨烯,石墨烯合成的另一种方法。然而,这种方法的主要缺点是,它是在高温下进行。这种区分热CVD方法因为它创建一个常数的催化层碳原子。在那之后,原子可以固定在金属表面。石墨烯是由使用各种技术(表1)。
表1介绍了合成方法等各种形式的石墨烯nanosheets,气凝胶,量子点69年),nanoribbons。
4所示。石墨烯的应用
石墨烯一直申请多功能应用近年来(图4)。以下部分细节石墨烯的各种应用程序,强调其在能量储存和转换设备中使用。
4.1。电化学传感器
跟踪目标的定性和定量检测与石墨烯是可能的。因为大毛孔,增加分析物运输,艾滋病在绑定目标的识别。功能化的石墨烯可以直接传感系统和有用的生物可以在低浓度检测到半个,改善石墨烯的效率做出更好的电化学传感器的功能和适用性、表面改性与合适的官能团,分子,生物分子,或纳米材料必要的制造不同的电化学传感器,一些报告所示,功能化的氧化石墨烯可以通过酰胺键的形成来完成去板边缘和有机分子之间,例如,p氨基苯硫酚、聚乙烯亚胺或咪唑在温和的条件下(69年]。
4.2。复合材料
在复合材料中,石墨烯作为功能性元素,提高复合材料的性能和效率。当石墨烯混合复合材料,具有很强的弹性,强度,和孔隙度,它有积极的影响。压缩会增加一定的石墨烯的力量。在交联条件下,这种类型的石墨烯展品高压缩。这些石墨烯材料适用于增强聚合物矩阵由于其海绵组成。这意味着石墨烯矩阵有一个高强度,疏水性,导电率(70年]。
4.3。能量存储设备
石墨烯是一个伟大的材料制造能源存储系统。尤其如此,当他们已经接受金属氧化物,导致最小板放置。石墨烯的互联网络是高度导电增加了石墨烯作为储能材料的吸引力。石墨烯作为能量储存设备的其他优点包括多孔微结构、电化学稳定性和机械稳定性。这些设备可以用于燃料电池,太阳能电池,电池和超级电容器等应用程序。石墨烯是常用的阳极和阴极材料质子交换膜(PEM)燃料电池,在电池如李电池。石墨烯发现应用程序作为电极材料的双电层电容器和pseudocapacitors超级电容器。它也被用作染料增敏剂在燃料电池(71年]。
4.4。吸附剂
三维石墨烯的表面面积很大。他们适合吸收事件由于其特点。与其他材料相比,石墨烯具有一个强大的有机液体和使用也可重用。石墨烯可以吸附某些气体在低浓度一次。也在业界,石墨烯的官能团也能够减少对捕获和转化有害气体(气体接触72年]。
4.5。药物输送
在过去的几年里,石墨烯被广泛调查作为一种独特的药物nanocarrier装载的各种治疗,包括抗癌药物,抗生素,不溶性药物、抗体、基因、DNA、RNA、多肽(73年,74年]。本研究选定的例子将提供演示使用石墨烯为目标,控制,和刺激药,包括某些抗癌和基因治疗的应用。接合与特定的配体药物载体可以识别肿瘤细胞表面分子标记是一个众所周知的技术实现有效的肿瘤靶向。肽、叶酸、多糖、转移和单克隆抗体靶向配体的例子是被调查采用石墨烯作为癌症治疗的药物人们(75年,76年]。
王等人。77年]合成金纳米石墨烯纳米复合材料和显示,它可以抑制HepG2细胞在高浓度时,运输细胞内阿霉素,和诱导karyopyknosis以协同的方式。
Iannazzo等人提出了石墨烯量子点与生物素(GQD-BTN)相结合来提高石墨烯量子点的抗癌效果(GQD) [78年]。阿霉素在加载GQD-BTN被发现更有效地抑制A549细胞的生长比阿霉素或GQD-BTN孤单。GQD-BTN似乎阿霉素更有效地转移到细胞比免费阿霉素。
在低功耗近红外激光辐照下,杨et al。79年]观察到聚乙二醇石墨烯nanosheets (GNS)自己超高体内肿瘤的老鼠体内的吸收和有效光照治疗功能。再往下,·马尔科维奇et al。80年)比较了光热光谱分析抗癌活性的石墨烯纳米粒子和碳纳米管(CNT)和显示,尽管NIR-absorbing能力较低,暂停polyvinylpyrrolidone-coated石墨烯暴露在近红外光谱辐射产生更多的热量比DNA或钠dodecylbenzenesulfonate-solubilized着单壁球长大的碳纳米管在相同。
锅等。81年)使用点击化学用石墨烯(GS)和聚(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)。72 h后在水和PBS 37°C, PNIPAM-GS有更大的能力来绑定CPT CPT的加载率较高。
改进的表面化学和石墨烯功能化是实现有效的目标所必需的。此外,石墨烯材料的独特的特点和他们的混合动力车可能提供资源在未来提高基因传递载体的设计。
5。未来的角度
石墨烯的好处是其使用的核心价值中各种能量储存和转换的应用程序。最近的技术进步合成、表征、和现代应用这些先进材料被广泛研究的调查。今天,开发了三维石墨烯结构,证明是一样好二维石墨烯方面的效率。本研究的目的是找到新方法合成石墨烯,以提高其质量和效率。心血管疾病是这些方法之一,它往往导致更大的孔隙结构的形成具有良好的导电性。使用这种技术,大大提高了材料的一致性。也有越来越多的关于方法的可伸缩性的问题。前身有平等的大小和一致性对石墨烯的特征和效率的影响。的质量和大小的前身,还原剂的类型,交叉连接器和pH值,都扮演一个角色在海绵的力量。再次,石墨烯的强度必须极大地增强了海绵以大规模生产它们。 Another interesting path for research in this field is to investigate the adoption of new techniques aimed at improving intersheet binding. These characteristics can be achieved by combining graphene sponges with elastic polymers.
许多研究活动目前正在进行探索的未来应用石墨烯材料在各种多功能系统。这一章看石墨烯电化学和nonelectrochemical应用的适用性。比其他碳的同素异形体石墨烯的优点进行了讨论。这些优势包括一个较大的表面积,易于合成、高电导率,溶解性,低成本的材料来源。有很多的技术进步,但仍有electroanalytical和电化学传感器的发展空间。材料的一些问题,比如它易于合成,必须予以解决的问题。设计和方法用于制造石墨烯器件材料的潜在的进步也很重要。尽管列出的挑战,石墨烯应用于电化学传感器仍是石墨烯的最有前途的未来发展。
6。结论
多功能石墨烯表现出许多的好处,尽管它有一些缺点。石墨烯材料的进一步修改是不可避免的探索其商业化和与其他著名的材料已经在市场上竞争。大部分的石墨烯海绵认为在这项研究中仍在小范围内,尽管是灵活和弹性,这些海绵很容易损坏,导致研究人员将其作为脆弱的时候处理不当。未来研究石墨烯材料应该关注的方法可以产生改善intersheet绑定和灵活,耐撕裂的复合材料。这可以通过使用弹性聚合物,以及改变纤维材料或优化结构的交联剂。炉的大小,以及缺陷表,减少模板的规模增长技术。可以做更多的研究以创建一个炉设计,可以支持更多的层。对于商业应用程序,石墨烯海绵由干燥和自组装方法需要一个冷冻干燥过程。其他因素也可能防止海绵结构遵循。在未来的研究中,必须调查进一步表征石墨烯前体,让它更容易检测约束性指标的变化,尤其是在合成和海绵形成。 The use of concentrated acid, as well as variable sheet sizes and functionality, limits the commercial processing of graphene. In the quest to commercialize graphene, regulated surface functionalization of graphene sheets obtained from the exfoliation of graphite must also be considered as an advanced research path. It is also necessary to look into the need for template support. In order to overcome the challenges, above-described features in terms of graphene sponge, further research will be needed. The use of three-dimensional graphene and graphene oxide in many applications is the future, so it must be critically considered in the future study.
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢支持,阿达玛科技大学,埃塞俄比亚。