迈进石墨烯大门,请从这十篇综述开始


自从英国物理学家盖姆和诺沃肖洛夫在2004年成功分离得到石墨烯且于2010年获得诺贝尔物理学奖以来,石墨烯因其优异的光学性质、超高的热导率和电导率、超强的机械性能等特性,在材料科学、能源科学和生物医学科学等方面具有广阔的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料,目前成为环境、能源、医学和物理化学等领域的研究热点。本文选取十篇文献从机械剥离法大规模制备石墨烯、石墨烯的功能化、石墨烯在环境和能源领域的应用、石墨烯/聚合物的制备和应用、石墨烯智能材料、石墨烯材料的生物医学应用及生物相互作用六个方面进行综述,带领读者走进石墨烯及石墨烯复合材料世界!

. 机械剥离法大规模制备石墨烯

机械剥离法制备石墨烯的两种路径

大规模生产高质量的石墨烯是实现石墨烯商业化应用的先决条件,“自上而下”的机械剥离法因经济成本低,而成为批量生产高质量石墨烯的目标方法之一。Yi Min和Shen Zhigang详细综述了大规模制备石墨烯的剥离技术,包括微机械剥离法、超声剥离法、球磨法(干法球磨、湿法球磨)、流体动力学剥离法、爆轰剥离法和超临界流体剥离法,为大规模制备石墨烯提供了理论依据[1]。

. 石墨烯的功能化

共价功能化的石墨烯作为反应活性中间体

共价功能化可以增强石墨烯的功能属性,包括打开禁带宽度、调节电导率、改善溶解性和稳定性,Park Jaehyeung和Yan Mingdi综述了通过自由基加成反应、C-H插入反应和环加成反应实现石墨烯的共价修饰,改性材料包括自由基类(重氮盐、过氧化苯甲酰、苯乙烯)、氮烯类、碳烯类和芳炔环加成类,从而改善了石墨烯的可加工性能[2]。Kuila Tapas等人对石墨烯的共价修饰和非共价修饰化等功能化进行了详细的分类,包括亲核取代反应(氧化石墨烯的环氧基团和改性剂的氨基反应)、亲电取代反应(亲电子试剂取代石墨烯的氢原子)、缩合反应和加成反应等共价功能化,以及疏水作用、范德华力、静电作用、物理吸附和π-π相互作用等非共价功能化,进而对石墨烯和功能化的石墨烯在纳米电子、生物传感器、药物传递、超级电容器、燃料电池、氢气存储、晶体管和聚合物纳米复合材料等领域的应用进行阐述[3]。

. 石墨烯在环境和能源领域的应用

碳纳米材料家族的主要成员及其对应的碳杂化态

纳思达股碳纳米材料的独特性和可调性,为识别和应对环境挑战提供了可能性。Mauter Meagan和Elimelech Menachem重点评估了碳纳米材料在环境领域的应用,包括吸附剂、高通量膜、深度过滤器、抗菌剂、环境传感器、可再生能源技术和污染防治策略[4]。Perreault François等人详细综述了石墨烯在环境领域的应用,包括吸附去除污染物(金属离子、有机污染物、废气),光催化降去除中污染物(降解有机污染物、重金属还原、给水消毒)、膜过滤和海水淡化、抗菌应用和环境传感器(气体传感器、化学传感器、生物传感器)[5]。石墨烯的出现,为全球环境挑战性的问题解决提供了新的机遇。除了环境领域外,石墨烯材料在能源方面依然具有广阔的应用前景。Chabot Victor等人综述了石墨烯在能源储存和转化方面的应用,包括燃料电池、染料敏化太阳能电池、锂离子电池和锂空气电池[6]。

. 石墨烯/聚合物的制备和应用

石墨烯、石墨、碳纳米管和富勒烯的结构

聚合物因其优良的可加工性能,在汽车、航空航天、建筑和电子行业等领域具有广泛的应用,但存在导电、导热和机械性能差等缺点,石墨烯具有超高的热导率和电导率、超强的机械性能,因而通过石墨烯填料和聚合物基底制备石墨烯/聚合物复合材料,是改善聚合物性能的最佳路径。Kuila Tapas等人综述了石墨烯/聚合物复合材料的制备方法,包括原位聚合法、超声插层法和熔融共混法;同时介绍了一些典型的石墨烯/聚合物复合材料,具体包括石墨烯/环氧树脂、石墨烯/聚苯乙烯、石墨烯/聚苯胺、石墨烯/聚乙烯醇、石墨烯/聚氨酯和石墨烯/聚碳酸酯等[7]。

. 石墨烯智能材料

纳思达股化学响应的石墨烯智能材料

石墨烯因其较大的比表面积和优良的力学、电学、光学、热学性能,在环境响应智能材料的应用方面备受关注。Yu Xiaowen等人对石墨烯智能材料进行了综述,包括化学刺激响应材料(气体分子、生物分子、离子)、电刺激响应材料(电化学刺激、电刺激、电流变)、机械刺激响应材料、热刺激响应材料、光刺激响应材料和磁刺激响应材料[8]。

. 石墨烯材料的生物医学应用及生物相互作用

石墨烯材料用于癌症的光热治疗

纳思达股由于纳米尺度石墨烯和氧化石墨烯存在带隙和边缘缺陷,其带来的光致发光性能,具有优异的光学稳定性,因而石墨烯可以用作生物成像的染料分子;同时石墨烯能在激光照射下产生强热,可以用作癌症治疗的光热剂。Li Jingliang等人对石墨烯材料的生物成像和光热治疗进行了综述,作者首先阐明了石墨烯的光致发光机理和影响因素(石墨烯的化学结构、pH、温度、激发波长),然后分析了基于光致发光的细胞成像应用(单光子激发成像、双光子激发成像),最后总结了石墨烯材料用于癌症的光热治疗应用(单光子吸收治疗、双光子吸收治疗、化学治疗和光热治疗的协同作用)[9]。Sanchez Vanesa等人详细综述了石墨烯材料的生物相互作用,包括石墨烯与生物相互作用相关的材料性质(比表面积、层数、片层尺寸、表面化学、纯度)、生物分子相互作用分类(小分子和离子、核酸、脂质和蛋白质、氧化反应、生物降解)、人体暴露的可能性(人体呼吸道的沉积和清除、类层状矿物的行为)、毒性和生物相容性(细菌毒性、体外哺乳动物细胞毒性、体内分布和毒性、异物肿瘤发生的可能性)和生物医学应用(药物传输、组织工程学、荧光分子探针、分子标记)[10]。

参考文献

1. Yi, M. & Shen, Z. G. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. Journal of Materials Chemistry A, 3, 11700-11715 (2015).

2. Park, J. & Yan, M. D. Covalent functionalization of graphene with reactive intermediates. Accounts of Chemical Reaearch, 46,纳思达股 181-189 (2013).

3. Kuila, T. et al. Chemical functionalization of graphene and its applications. Progress in Materials Science, 57,纳思达股 1061-1105 (2012).

4. Mauter, M. S. & Elimelech, M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environmental Science & Technology, 42,纳思达股 5843-5859 (2008).

5. Perreault, F., Faria, A, F. & Elimelech, M. Environmental applications of graphene-based nanomaterials. Chemical Society Reviews, 44, 5861-5896 (2015).

6. Chabot, V., et al. A review of graphene and graphene oxide sponge: material synthesis and applications to energy and the environment. Energy & Environmental Science, 7,纳思达股 1564-1596 (2014).

7. Kuila, T. et al. Recent advances in graphene based polymer composites. Progress in Polymer Science, 35,纳思达股 1350-1375 (2010).

8. Yu, X. W. et al. Graphene-based smart materials. Nature Reviews Materials, 2, 17046 (2017).

9. Li, J. L. et al. A review of optical imaging and therapy using nanosized grapheme and graphene oxide. Biomaterials, 34,纳思达股 9519-9534 (2013).

10. Sanchez, V. C. et al. Biological interactions of graphene-family nanomaterials: An interdisciplinary review. Chemical Research in Toxicology, 25,纳思达股 15-34 (2012).

本文由Young Broglie供稿。

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