【原创】石墨烯如何“变身”为微球

中国粉体网讯  石墨烯，作为一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，其具有优异的电学、热学、力学和光学性能，如高导电性、高热导率、超强的机械强度以及良好的透光性等。而石墨烯微球则是在石墨烯基础上进一步构建的一种独特的微观结构材料，它将石墨烯的优异性能与微球的特殊形态相结合，展现出了更为丰富的物理化学性质和广阔的应用前景。

石墨烯微球的结构特性

石墨烯微球通常是由多层石墨烯片层通过特定的相互作用自组装而成的球状结构。其内部的石墨烯片层之间存在着丰富的π-π相互作用、范德华力以及可能的化学键合，这些相互作用使得微球结构具有较高的稳定性。从微观结构来看，石墨烯微球具有较大的比表面积，这是由于其层状结构和球状形态所决定的。大量的活性位点分布在微球的表面和内部孔隙中，这为其在吸附、催化等方面的应用提供了良好的基础。同时，石墨烯微球的尺寸可以在一定范围内进行调控，从纳米级到微米级不等，不同尺寸的微球在不同的应用场景中表现出各异的性能优势。例如，较小尺寸的石墨烯微球可能具有更快的反应动力学，而较大尺寸的微球则可能在宏观性能表现上更为突出，如在能量存储方面的整体容量贡献等。

石墨烯微球的制备方法

（一）自组装法

自组装法是制备石墨烯微球较为常用的一种方法。该方法主要是利用石墨烯片层之间的π-π相互作用和范德华力，在适当的溶剂环境和条件下，使石墨烯片层自发地聚集形成微球结构。例如，将氧化石墨烯分散在特定的有机溶剂或水溶液中，通过调节溶液的浓度、温度、pH值以及添加适当的表面活性剂等手段，诱导氧化石墨烯片层逐渐组装成球。在这个过程中，氧化石墨烯片层上的含氧官能团起到了重要的作用，它们不仅影响片层之间的相互作用，还可以通过化学反应进行后续的修饰和功能化。经过还原处理后，氧化石墨烯微球可以转化为石墨烯微球，恢复其良好的电学性能。

（二）模板法

模板法是用其它材料，如有机材料、无机材料、金属／氧化金属材料，作为合成三维球状石墨烯材料的核，石墨烯或者氧化石墨烯包裹核形成一层石墨烯的壳，形成一种核-壳结构，再经过进一步处理后得到石墨烯核-壳结构，最后，利用化学试剂刻蚀掉里边的核，即得到中间空心的石墨烯壳结构。模板可以是硬模板，如二氧化硅微球、聚合物微球等，也可以是软模板，如胶束等。以硬模板为例，首先将石墨烯或氧化石墨烯材料涂覆在模板表面，然后通过化学蚀刻或高温煅烧等方法去除模板，从而得到石墨烯微球。这种方法能够精确地控制石墨烯微球的尺寸和形状，使其具有高度的均一性。然而，模板的制备和去除过程相对复杂，可能会引入杂质，并且成本较高，这在一定程度上限制了模板法的大规模应用。

（三）水热/溶剂热法

水热/溶剂热法是在高温高压的水或有机溶剂环境中制备石墨烯微球的方法。将氧化石墨烯或石墨烯与适当的还原剂、表面活性剂等混合后，置于密闭的反应釜中，在一定的温度和压力下反应一段时间。在这种极端的条件下，氧化石墨烯发生还原反应并自组装形成微球结构。水热/溶剂热法的优点在于可以在相对较短的时间内制备出高质量的石墨烯微球，并且反应过程相对简单，不需要复杂的仪器设备。但是，反应条件的控制要求较高，如温度、压力、反应时间等参数的微小变化都可能对石墨烯微球的结构和性能产生较大影响。

（四）油包水乳浊液法

氧化石墨烯具有两亲性。首先，不断搅拌下在油溶剂中滴加氧化石墨烯溶液形成油包水的液滴，再经过加热使其溶液中水蒸发掉，进而自组装形成球状结构，其次，把油相清洗掉得到三维氧化石墨烯球状结构材料，最后，经过还原处理得到三维球状石墨烯材料。

石墨烯微球在能源存储领域的应用

（一）锂离子电池

在锂离子电池中，石墨烯微球作为电极材料展现出了卓越的性能。其高比表面积能够提供更多的锂离子吸附位点，从而提高电池的容量。同时，良好的导电性使得电子传输更加迅速，降低了电池的内阻，提高了充放电效率。研究表明，石墨烯微球电极在锂离子电池中的循环稳定性也较为出色，经过多次充放电循环后，其容量保持率较高。这是由于其独特的结构能够有效地缓解锂离子嵌入和脱出过程中所引起的体积变化，减少电极材料的粉化和脱落。

（二）超级电容器

石墨烯微球在超级电容器领域同样具有重要应用价值。超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有高功率密度、快速充放电等特点。石墨烯微球的大比表面积和优异的导电性使其能够在超级电容器电极中存储大量的电荷，并且能够快速地进行电荷传输。与传统的活性炭电极相比，石墨烯微球电极具有更高的比电容和更好的倍率性能。此外，通过对石墨烯微球进行适当的掺杂或复合，可以进一步提高其在超级电容器中的性能，如氮掺杂可以引入额外的赝电容，提高电容值。

石墨烯微球在环境保护中的应用

（一）吸附剂

石墨烯微球可作为高效的吸附剂用于处理污水中的污染物。其大比表面积和丰富的官能团能够吸附多种有机污染物和重金属离子。例如，对于废水中的染料分子，石墨烯微球可以通过π-π相互作用和静电吸附作用将其从溶液中吸附去除。对于重金属离子，如铅离子、汞离子等，石墨烯微球表面的含氧官能团和金属离子之间发生化学反应或静电吸附，从而实现对重金属离子的有效去除。与传统的吸附材料相比，石墨烯微球具有吸附容量大、吸附速度快、再生性能好等优点。通过简单的处理，如清洗、加热或化学再生等方法，可以使吸附饱和的石墨烯微球恢复吸附能力，实现多次循环利用。

（二）催化剂载体

在环境催化领域，石墨烯微球常被用作催化剂载体。其稳定的结构和大比表面积能够负载多种催化剂活性组分，如金属纳米粒子等。例如，将铂纳米粒子负载在石墨烯微球上，可以用于催化氧化有机污染物，提高污染物的降解效率。石墨烯微球作为催化剂载体不仅能够提高催化剂的分散性，防止活性组分的团聚，还能够通过与活性组分之间的协同作用增强催化性能。此外，石墨烯微球本身的电子传导性能也有助于促进催化反应中的电子转移过程，进一步提高催化反应的速率。

石墨烯微球在生物医药领域的应用

（一）药物载体

石墨烯微球具有良好的生物相容性和可修饰性，可作为药物载体用于药物递送系统。通过物理吸附或化学键合的方式将药物分子负载到石墨烯微球上，可以实现药物的控释和靶向递送。例如，将抗癌药物负载到石墨烯微球上，利用其表面修饰的靶向基团，如抗体、多肽等，可以使药物准确地递送到肿瘤部位，提高药物的治疗效果并减少对正常组织的副作用。同时，石墨烯微球的尺寸和结构可以调节药物的释放速率，使其在体内能够按照预定的时间和速度释放药物。

（二）生物成像

在生物成像领域，石墨烯微球由于其独特的光学性质而具有潜在的应用价值。经过适当的功能化修饰后，石墨烯微球可以在近红外光区域表现出良好的荧光特性或光吸收特性。这使得其可以作为生物成像探针用于细胞成像和体内成像。例如，在细胞标记实验中，石墨烯微球可以与特定的细胞表面受体结合，通过荧光显微镜或其他成像技术观察细胞的形态、分布和活动情况。在体内成像方面，石墨烯微球可以通过静脉注射等方式进入体内，利用其在近红外光下的成像特性，对肿瘤组织、血管等进行成像，为疾病的诊断和治疗提供重要的影像学依据。

结语

尽管石墨烯微球已经在多个领域展现出了巨大的应用潜力，但仍有许多方面需要进一步深入研究。在制备方法方面，需要开发更加简单、高效、低成本且可大规模生产的制备工艺，以满足工业化生产的需求。例如，进一步优化自组装法的条件，减少对昂贵试剂和复杂设备的依赖；探索新型模板或无模板的制备方法，提高石墨烯微球的质量和产量。在性能研究方面，深入研究石墨烯微球的微观结构与宏观性能之间的关系，通过精确的结构调控来实现性能的最大化。例如，研究不同层数、不同缺陷程度的石墨烯微球在能源存储和催化等方面的性能差异，为材料的优化设计提供理论依据。

参考来源：

张福华：三维中空纳米金-石墨烯微球复合材料的制备及其应用研究

米克勤：石墨烯微球的制备及其在离子液体中检测二氧化硫的应用

丁国民：微纳分级结构石墨烯微球的调控制备及其超浸润性能研究

杨岚：聚苯乙烯-石墨烯微球制备及其对有机污染物的吸附

姜朝瑞等：氧化石墨烯复合材料载药微球的制备与性能研究

（中国粉体网编辑整理/留白）

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