石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，是人類目前已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)。自2004年由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)2位科學(xué)家(Andre Geim和Konstantin Novoselov)首次制備出后，石墨烯引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是一種影響未來(lái)的革命性的材料。石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用都涉及到它的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能。石墨烯應(yīng)用廣泛，在應(yīng)用中可以和其他物質(zhì)組合，以實(shí)現(xiàn)更好的性能。本文從新能源電池、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、海水淡化、光崔化等角度介紹石墨烯的研究進(jìn)展情況。

　　1 新能源電池

　　1.1 導(dǎo)電添加劑及電極復(fù)合材料

　　石墨烯材料具有良好的導(dǎo)電性，易加工成薄膜，將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入到鋰離子電池正極中，能夠大幅度提升電池導(dǎo)電率，進(jìn)而提高電化學(xué)性能。作為負(fù)極材料可提供給鋰離子可逆的存儲(chǔ)空間，提高容量和快速充放電。例如，在二氧化錫(一種鋰離子電池負(fù)極材料)的表面包覆石墨烯材料，可以有效緩解電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹問(wèn)題，提高容量和循環(huán)的穩(wěn)定性[1]。硅納米材料與石墨烯材料的復(fù)合材料比一般的導(dǎo)電劑性能更好，減少了多次循環(huán)的損耗，降低了成本，其循環(huán)可逆比容量大幅提升[2]。日本電器公司Cheng Qian團(tuán)隊(duì)研制出呈蜂窩狀的多孔石墨烯海綿，將其用作鋰離子正負(fù)電極的導(dǎo)電添加劑時(shí)能夠有效提高電池電極的電子傳導(dǎo)率，降低活性物質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，提升電池倍率性能和循環(huán)[3]。石墨烯材料是導(dǎo)電添加劑材料的重要研究方向。

　　將石墨烯導(dǎo)電劑和具有更高導(dǎo)電性的碳材料組成復(fù)合導(dǎo)電劑，能夠使導(dǎo)電劑更充分地接觸活性物質(zhì)，可從不同維度上構(gòu)建協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，更好地改善正極性能[4]。山東大學(xué)Jiang Rongyan等人在二氧化錳(MnO2)基電極材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的炭黑與石墨烯后，顯著提升了電極材料的性能[5]。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%Super-P(SP)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的石墨烯納米片(GN)作為二元導(dǎo)電劑，在鈷酸鋰(LiCoO2)電極中構(gòu)建有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提升電池倍率性能和循環(huán)，優(yōu)于市場(chǎng)上含有3%SP的電池，進(jìn)一步論證了GN添加劑用于高性能鋰離子鋰電池的商業(yè)潛力[6]。

　　1.2 集流體

　　集流體是電池電芯的重要組成部分，良好的集流體需要有宏觀尺寸、獨(dú)立自支撐、穩(wěn)定性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、成本低等優(yōu)勢(shì)。石墨烯材料的高導(dǎo)電性和高柔韌性使其非常適合作為柔性儲(chǔ)能器件。早在2012年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所就用三維聯(lián)通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)取代金屬集流體，作為電池中的集流體[7]。Ruoff課題組將泡沫石墨烯作為集流體，并應(yīng)用在鋰離子電池中。之后泡沫石墨烯被用作各類鋰離子電池的集流體。石墨烯海綿也是一類可以用作電池集流體的三維碳材料，具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電率[8]。

　　2 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

　　2.1 生物醫(yī)學(xué)傳感器

　　在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的研究主要是關(guān)注：①用于生物分子檢測(cè)的氧化石墨烯生物探測(cè)器設(shè)備的研發(fā);②氧化石墨烯的抗菌作用、石墨烯生物安全性以及毒性作用機(jī)理等研究;③石墨烯在生物光熱治療、光儲(chǔ)存方面的研究[9]。生物醫(yī)學(xué)傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。墨爾本大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯的熱電傳感裝置。該裝置首先是構(gòu)造一個(gè)邊緣為氫鈍化的曲折的石墨烯納米帶，再讓石墨烯納米帶的表面接近單個(gè)生物分子，從而準(zhǔn)確地檢測(cè)出單個(gè)分子[10]。印度CSIR公司Bhatnagar等人設(shè)計(jì)出一種石墨烯量子點(diǎn)和聚酰胺-胺(PAMAM)納米復(fù)合修飾金電極超敏心肌肌鈣蛋白I抗體，用于快速檢測(cè)人心肌梗死[11]。

　　石墨烯是一種很有前景的納米DNA測(cè)序材料，基于石墨烯的傳感器可以用于DNA測(cè)序，但目前市場(chǎng)規(guī)模較小。原理是納米孔與基于石墨烯的傳感器結(jié)合起來(lái)，讓單個(gè)DNA分子穿過(guò)傳感器，從而實(shí)現(xiàn)單DNA分子測(cè)序[12]。浙江大學(xué)梁立軍通過(guò)對(duì)多層石墨烯納米孔道中對(duì)DNA分子進(jìn)行穿孔行為的研究，發(fā)現(xiàn)多層石墨烯對(duì)于DNA測(cè)序在精度方面優(yōu)于單層石墨烯[13]。

　　2.2 氧化石墨烯的抗菌作用及生物安全性

　　由于傳統(tǒng)的抗生素的濫用會(huì)造成抗藥性問(wèn)題，抑菌性能減弱，而納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，可以用來(lái)制作高效安全的抗菌劑，所以納米抗菌材料如今得到人們的關(guān)注和重視。石墨烯的衍生物如氧化石墨烯在抗菌領(lǐng)域中具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。新加坡南洋理工大學(xué)Liu Shaobin等人使用原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯(GO)對(duì)大腸埃希菌的破壞作用。GO通過(guò)包裹此種菌的細(xì)胞，阻斷了細(xì)胞與周圍環(huán)境的交互，阻止細(xì)胞的不斷增值，從而造成此種類細(xì)胞喪失活性，但氧化石墨烯薄片尺寸較小時(shí)，不能有效地將細(xì)胞與環(huán)境隔離[14]。印度阿利加爾穆斯林大學(xué)Kulshrestha等人將氧化石墨烯與鋅離子結(jié)合制成石墨烯/氧化鋅納米復(fù)合物(GZNC)，探索了GZNC對(duì)變形鏈球菌致齲特性的潛在影響，發(fā)現(xiàn)其對(duì)變異鏈球菌的抗菌作用非常顯著，GZNC具有有效抑制變異鏈球菌生物膜形成的能力[15]。氧化石墨烯的抗菌機(jī)理主要有對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的氧化應(yīng)激和直接破壞2方面，目前學(xué)術(shù)界不少人對(duì)GO的抗菌性能持懷疑態(tài)度，還需要進(jìn)行更深層次的研究[16]。

　　2.3 基因載體

　　目前，構(gòu)建安全有效的基因載體是進(jìn)行基因治療的重難點(diǎn)。石墨烯及其衍生物能作為基因載體，主要是因其具有以下性能：①易于進(jìn)行化學(xué)修飾;②可以結(jié)合核苷酸;③可以保護(hù)核苷酸免于被酶分解;④易于被細(xì)胞攝取;⑤低毒性[17]。南京大學(xué)Dong Haifeng等人利用石墨烯納米帶(GNR)與聚乙烯亞胺(PEI)的靜電作用構(gòu)建了PEI—GNR基因載體[18]。蘇州大學(xué)馮良珠通過(guò)靜電吸附方法有效地將帶正電荷的聚乙烯亞胺分子包裹到納米石墨烯表面，基于石墨烯進(jìn)行一系列基因載體的構(gòu)建，構(gòu)建的堿化氧化石墨烯(NGO)—PEI復(fù)合體被證實(shí)在細(xì)胞水平上具有基因負(fù)載能力[19]。加拿大麥吉爾大學(xué)Imani Rana和他的團(tuán)隊(duì)使用磷脂的聚合物(PL—PEG)和細(xì)胞穿透肽(CPP)來(lái)改進(jìn)基于GO納米載體的穩(wěn)定性和siRNA轉(zhuǎn)染能力[20]。由于不同石墨烯材料對(duì)基因載體的性能的影響不同，需要進(jìn)行更系統(tǒng)的對(duì)比研究，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)石墨烯基因載體的設(shè)計(jì)。

　　推薦閱讀：材料方向2-3分的SCI期刊