中國(guó)粉體網(wǎng)訊  石墨烯，作為一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，其具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能，如高導(dǎo)電性、高熱導(dǎo)率、超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的透光性等。而石墨烯微球則是在石墨烯基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建的一種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)材料，它將石墨烯的優(yōu)異性能與微球的特殊形態(tài)相結(jié)合，展現(xiàn)出了更為豐富的物理化學(xué)性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景。

石墨烯微球的結(jié)構(gòu)特性

石墨烯微球通常是由多層石墨烯片層通過特定的相互作用自組裝而成的球狀結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部的石墨烯片層之間存在著豐富的π-π相互作用、范德華力以及可能的化學(xué)鍵合，這些相互作用使得微球結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。從微觀結(jié)構(gòu)來看，石墨烯微球具有較大的比表面積，這是由于其層狀結(jié)構(gòu)和球狀形態(tài)所決定的。大量的活性位點(diǎn)分布在微球的表面和內(nèi)部孔隙中，這為其在吸附、催化等方面的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，石墨烯微球的尺寸可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，從納米級(jí)到微米級(jí)不等，不同尺寸的微球在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出各異的性能優(yōu)勢(shì)。例如，較小尺寸的石墨烯微球可能具有更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而較大尺寸的微球則可能在宏觀性能表現(xiàn)上更為突出，如在能量存儲(chǔ)方面的整體容量貢獻(xiàn)等。

石墨烯微球的制備方法

（一）自組裝法

自組裝法是制備石墨烯微球較為常用的一種方法。該方法主要是利用石墨烯片層之間的π-π相互作用和范德華力，在適當(dāng)?shù)娜軇┉h(huán)境和條件下，使石墨烯片層自發(fā)地聚集形成微球結(jié)構(gòu)。例如，將氧化石墨烯分散在特定的有機(jī)溶劑或水溶液中，通過調(diào)節(jié)溶液的濃度、溫度、pH值以及添加適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┑仁侄�，誘導(dǎo)氧化石墨烯片層逐漸組裝成球。在這個(gè)過程中，氧化石墨烯片層上的含氧官能團(tuán)起到了重要的作用，它們不僅影響片層之間的相互作用，還可以通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行后續(xù)的修飾和功能化。經(jīng)過還原處理后，氧化石墨烯微球可以轉(zhuǎn)化為石墨烯微球，恢復(fù)其良好的電學(xué)性能。

（二）模板法

模板法是用其它材料，如有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬／氧化金屬材料，作為合成三維球狀石墨烯材料的核，石墨烯或者氧化石墨烯包裹核形成一層石墨烯的殼，形成一種核-殼結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過進(jìn)一步處理后得到石墨烯核-殼結(jié)構(gòu)，最后，利用化學(xué)試劑刻蝕掉里邊的核，即得到中間空心的石墨烯殼結(jié)構(gòu)。模板可以是硬模板，如二氧化硅微球、聚合物微球等，也可以是軟模板，如膠束等。以硬模板為例，首先將石墨烯或氧化石墨烯材料涂覆在模板表面，然后通過化學(xué)蝕刻或高溫煅燒等方法去除模板，從而得到石墨烯微球。這種方法能夠精確地控制石墨烯微球的尺寸和形狀，使其具有高度的均一性。然而，模板的制備和去除過程相對(duì)復(fù)雜，可能會(huì)引入雜質(zhì)，并且成本較高，這在一定程度上限制了模板法的大規(guī)模應(yīng)用。

（三）水熱/溶劑熱法

水熱/溶劑熱法是在高溫高壓的水或有機(jī)溶劑環(huán)境中制備石墨烯微球的方法。將氧化石墨烯或石墨烯與適當(dāng)?shù)倪�原劑、表面活性劑等混合后，置于密閉的反應(yīng)釜中，在一定的溫度和壓力下反應(yīng)一段時(shí)間。在這種極端的條件下，氧化石墨烯發(fā)生還原反應(yīng)并自組裝形成微球結(jié)構(gòu)。水熱/溶劑熱法的優(yōu)點(diǎn)在于可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)制備出高質(zhì)量的石墨烯微球，并且反應(yīng)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備。但是，反應(yīng)條件的控制要求較高，如溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)的微小變化都可能對(duì)石墨烯微球的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生較大影響。

（四）油包水乳濁液法

氧化石墨烯具有兩親性。首先，不斷攪拌下在油溶劑中滴加氧化石墨烯溶液形成油包水的液滴，再經(jīng)過加熱使其溶液中水蒸發(fā)掉，進(jìn)而自組裝形成球狀結(jié)構(gòu)，其次，把油相清洗掉得到三維氧化石墨烯球狀結(jié)構(gòu)材料，最后，經(jīng)過還原處理得到三維球狀石墨烯材料。

石墨烯微球在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）鋰離子電池

在鋰離子電池中，石墨烯微球作為電極材料展現(xiàn)出了卓越的性能。其高比表面積能夠提供更多的鋰離子吸附位點(diǎn)，從而提高電池的容量。同時(shí)，良好的導(dǎo)電性使得電子傳輸更加迅速，降低了電池的內(nèi)阻，提高了充放電效率。研究表明，石墨烯微球電極在鋰離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性也較為出色，經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，其容量保持率較高。這是由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠有效地緩解鋰離子嵌入和脫出過程中所引起的體積變化，減少電極材料的粉化和脫落。

（二）超級(jí)電容器

石墨烯微球在超級(jí)電容器領(lǐng)域同樣具有重要應(yīng)用價(jià)值。超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件，具有高功率密度、快速充放電等特點(diǎn)。石墨烯微球的大比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性使其能夠在超級(jí)電容器電極中存儲(chǔ)大量的電荷，并且能夠快速地進(jìn)行電荷傳輸。與傳統(tǒng)的活性炭電極相比，石墨烯微球電極具有更高的比電容和更好的倍率性能。此外，通過對(duì)石墨烯微球進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s或復(fù)合，可以進(jìn)一步提高其在超級(jí)電容器中的性能，如氮摻雜可以引入額外的贗電容，提高電容值。

石墨烯微球在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

（一）吸附劑

石墨烯微球可作為高效的吸附劑用于處理污水中的污染物。其大比表面積和豐富的官能團(tuán)能夠吸附多種有機(jī)污染物和重金屬離子。例如，對(duì)于廢水中的染料分子，石墨烯微球可以通過π-π相互作用和靜電吸附作用將其從溶液中吸附去除。對(duì)于重金屬離子，如鉛離子、汞離子等，石墨烯微球表面的含氧官能團(tuán)和金屬離子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或靜電吸附，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的有效去除。與傳統(tǒng)的吸附材料相比，石墨烯微球具有吸附容量大、吸附速度快、再生性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過簡(jiǎn)單的處理，如清洗、加熱或化學(xué)再生等方法，可以使吸附飽和的石墨烯微球恢復(fù)吸附能力，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)利用。

（二）催化劑載體

在環(huán)境催化領(lǐng)域，石墨烯微球常被用作催化劑載體。其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和大比表面積能夠負(fù)載多種催化劑活性組分，如金屬納米粒子等。例如，將鉑納米粒子負(fù)載在石墨烯微球上，可以用于催化氧化有機(jī)污染物，提高污染物的降解效率。石墨烯微球作為催化劑載體不僅能夠提高催化劑的分散性，防止活性組分的團(tuán)聚，還能夠通過與活性組分之間的協(xié)同作用增強(qiáng)催化性能。此外，石墨烯微球本身的電子傳導(dǎo)性能也有助于促進(jìn)催化反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移過程，進(jìn)一步提高催化反應(yīng)的速率。

石墨烯微球在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）藥物載體

石墨烯微球具有良好的生物相容性和可修飾性，可作為藥物載體用于藥物遞送系統(tǒng)。通過物理吸附或化學(xué)鍵合的方式將藥物分子負(fù)載到石墨烯微球上，可以實(shí)現(xiàn)藥物的控釋和靶向遞送。例如，將抗癌藥物負(fù)載到石墨烯微球上，利用其表面修飾的靶向基團(tuán)，如抗體、多肽等，可以使藥物準(zhǔn)確地遞送到腫瘤部位，提高藥物的治療效果并減少對(duì)正常組織的副作用。同時(shí)，石墨烯微球的尺寸和結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)藥物的釋放速率，使其在體內(nèi)能夠按照預(yù)定的時(shí)間和速度釋放藥物。

（二）生物成像

在生物成像領(lǐng)域，石墨烯微球由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)而具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓δ芑�修飾后，石墨烯微球可以在近紅外光區(qū)域表現(xiàn)出良好的熒光特性或光吸收特性。這使得其可以作為生物成像探針用于細(xì)胞成像和體內(nèi)成像。例如，在細(xì)胞標(biāo)記實(shí)驗(yàn)中，石墨烯微球可以與特定的細(xì)胞表面受體結(jié)合，通過熒光顯微鏡或其他成像技術(shù)觀察細(xì)胞的形態(tài)、分布和活動(dòng)情況。在體內(nèi)成像方面，石墨烯微球可以通過靜脈注射等方式進(jìn)入體內(nèi)，利用其在近紅外光下的成像特性，對(duì)腫瘤組織、血管等進(jìn)行成像，為疾病的診斷和治療提供重要的影像學(xué)依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

盡管石墨烯微球已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但仍有許多方面需要進(jìn)一步深入研究。在制備方法方面，需要開發(fā)更加簡(jiǎn)單、高效、低成本且可大規(guī)模生產(chǎn)的制備工藝，以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。例如，進(jìn)一步優(yōu)化自組裝法的條件，減少對(duì)昂貴試劑和復(fù)雜設(shè)備的依賴；探索新型模板或無模板的制備方法，提高石墨烯微球的質(zhì)量和產(chǎn)量。在性能研究方面，深入研究石墨烯微球的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，通過精確的結(jié)構(gòu)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)性能的最大化。例如，研究不同層數(shù)、不同缺陷程度的石墨烯微球在能源存儲(chǔ)和催化等方面的性能差異，為材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

參考來源：

張福華：三維中空納米金-石墨烯微球復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用研究

米克勤：石墨烯微球的制備及其在離子液體中檢測(cè)二氧化硫的應(yīng)用

丁國(guó)民：微納分級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯微球的調(diào)控制備及其超浸潤(rùn)性能研究

楊嵐：聚苯乙烯-石墨烯微球制備及其對(duì)有機(jī)污染物的吸附

姜朝瑞等：氧化石墨烯復(fù)合材料載藥微球的制備與性能研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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