论石墨烯在生活生产中的应用

作者:未知

  摘要:众所周知,碳元素普遍被应用在生态环境中,其独有的物性以及其多样的形态伴随人类文化的提高而逐步被发现。2004年,石墨烯的发现,引起了研究人员的探索,它是一种极薄的具有高的比表面积、超强的导电性以及高强度的碳的同位素材料。自从石墨烯进入人们的视野以来,人们便根据其优点,将石墨烯广泛应用在生物医学、储能材料、污水处理、日常生活等领域。近几年,我国石墨烯产业极速发展,随着国家经济的快速发展,石墨烯的研究发展趋势会逐渐走向成熟。
  关键词:石墨烯材料;药物传输;超级电容;污水治理;纺织行业
  石墨烯是一种二维晶体,有着独特的单原子层,由碳原子依照六边形进行排布并互相连接,构成一个碳分子,它的结构十分稳定;随着所连接碳原子数量的不断增多,石墨烯平面不断扩张,分子也不停的变大。石墨烯具备极高的比表面积、载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度等优点[1]。同时,石墨烯的发现,也将推动新世纪社会的发展,并极大的影响着人类的生活生产医疗等方面。
  1、石墨烯在生物医药领域的应用
  研究表明,石墨烯类材料在生物医学领域有着重要的应用,并能够展现出巨大的价值。石墨烯有极高的比表面积并且每个原子都暴露在表面,而且,石墨烯经氧化后的官能团大部分是含氧基亲水官能团,故而,其亲水性往往比较高。由于氧化石墨烯亲水性较高,含有大量的含氧官能团,使得它可以作为抗癌药物的载体,通过药物靶向输送的过程使一些特定尺寸的氧化石墨烯在肿瘤组织中高度富集[2]。用氧化石墨烯作为载体,更好的达到治疗癌症的效果。
  科学家研究发现,将药物传输中使用的石墨烯涂有具备生物相容性的端氨基酚枝型聚乙二醇[3],便可以轻易和分子发生功能化。然而这些发生了功能化的氧化石墨烯可以在生理条件下稳定存在。因此,其还适用于高被动体内肿瘤的摄取和光热消融肿瘤[3]。
  2、石墨烯在储能领域的应用
  伴随着经济的快速发展和世界人口的不断增长,越来越多的资源与能源已经发生了急剧短缺,自然环境也在人类的影响破坏下逐渐变差。于是,为了保卫我们赖以生存的环境,人类对可循环利用、具有高效率的能源产生了极大的依赖性。当锂电池、铅酸、液流为代表的电化学储能技术走进人们的视野后,研究人员开始了新的方向研究,而作为传统储能材料碳的同素异形体——石墨烯,便成为了人们的主要研究对象。
  因为氢能密度低、容易爆炸,才使得石墨烯的出现在能源存储领域得到了广泛的应用。希腊大学的科研人员Froudakis等研究了新型的碳材料——3D碳材料,当这种新型碳材料里面掺杂了锂原子时,石墨烯柱的储氢量不断提高,达到6.1%。根据这个数据,Ataca等研究人员利用第一性原理平面波法获得了石墨烯被钙原子掺杂后的储氢量的质量分数,其质量分数达到了8.4%。同时,钙原子会留在石墨烯的外表面,并且易于循环使用。由于双电层电容的大小和电极有效比表面积成正比[4],因此,具备高比表面积、高导电性以及高化学稳定性的石墨烯便可作为双电层超级电容的电极,如此,更好的将能量以电荷的形式储存在界面。
  3、石墨烯解决印染污水的问题
  现如今,人类的生活水平随着社会的发展已经逐渐走向新阶段,因而对物质健康的需求也逐渐增加,为了满足自己的一己私欲,便不停地向大自然索取,掠夺有限资源、破坏生态环境。其中,环境污染已然成为人们目前所面临的最重要问题。而污水中常常含有混浊物、污染物等一些有毒有害的物质。自发现石墨烯以来,研究员不断地探索,发现石墨烯具有极好的吸附性和极高的比表面积,便在其表面进行磺酸基功能化处理,经研究发现,这样的处理不但可以提高石墨烯的分散性,同时还提高了它对萘和萘酚的吸附能力,其吸附能力高达每克2.4毫摩尔[5]。研究员还发现,当石墨烯和纳米金属结合后,也会提高活性金属组分的分散性和热稳定性。利用石墨烯高的分散性、热稳定性以及吸附性的特点,将石墨烯与纳米金属结合,经过研究,制备出石墨烯/纳米金属复合材料并将其应用于印染废水的处理中,这样既可以有效的除去水中有机聚合物、重金属等污染物,也可以达到循环再生的效果。就目前来说,石墨烯的这些特性,可以在空气污染、污水处理、以及地下水净化领域得到广泛的应用[5]。
  4、石墨烯在人们日常生活中的应用
  在日益发展的经济中,人们对衣食住行有了更高的要求,而石墨烯的出现则使人們生活又上一个阶梯。其次石墨烯在面膜、服饰以及电池等方面的研究也提供了重要作用。近年来,石墨烯在纺织业的应用也崭露头角[6],其中最主要的便是石墨烯纤维和石墨烯功能织物。自从Gao等[7]利用湿法纺丝法将氧化石墨烯液晶相进行纺丝,首次纺制出石墨烯纤维后,石墨烯纤维出现在我们的视线中,并在纺织行业发挥重要作用,但石墨烯纤维的柔韧性未能满足纺织业的要求,于是研究员便研制出了石墨烯复合纤维,其高强度、韧性好、可以打成结甚至导电、热学和抗菌性也有所提高的特点,使其在纺织行业有了前所未有的突破。
  5、总结与展望
  生活中有很多值得我们去发现的事物,正因为石墨烯具有高比表面积、高强度、抗静电的优点,才可以在纺织行业发挥作用,而其比表面积、导电、导热以及透光性等特点,使其被应用到生物医学、储能材料、环境保护等众多领域。石墨烯的研究还在进行,相信在研究人员的不断努力之下,石墨烯材料必将为提高人们的生活质量、医疗水平、科研探索做出巨大贡献。
  参考文献:
  [1]Zhu Hongwei,Xu Zhiping,Xie Dan.Structure,preparation and characterization of graphene[M].Beijing:Tsinghua University Press.2011.
  [2]Chen Yongsheng,Huang Yi.Granphene is a novel two-dimensional carbon nanomaterial[M].Science Press.2013.
  [3]Madhuri Sharon,Maheshwar Sharon.An Introduction to the Fundamentals and Industrial Applications[M].Scrivener Publishing LLC.2015.
  [4]Fu Changjing.Preparation,structure and application of graphene[M].Harbin Institute of Technology Press.2017.
  [5]Xu Chao,Chen sheng,Wang xin.Advances in material chemistry based on graphene[J].Practical Chemistry.2011.
  [6]Hu Xili,Tian Mingwei,Zhu Shifeng,Qu Lijun.[J]College of textiles,Qingdao University.266071.
  [7]Xu Z,Gao C.Graphene chiral liquid crystals and macroscopic assembled fibre[J].Nature Communications.2011.
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