石墨烯及其氧化物在作物培苗及電極材料方面的應(yīng)用

李彩琴，喬 俊，劉荔貞，趙建國

（山西大同大學化學與化工學院，山西大同 037009）

石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢晶格的一種二維晶體，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最強的一種新型材料，導電導熱性能也超強，被認為是“改變未來世界的神奇新材料”[1]。石墨烯獨特的物理性質(zhì)，使其成為一種高度通用的材料。比如：在能源和環(huán)境中起到修復作用；在農(nóng)業(yè)和施肥方面起到促進作用；在電極和催化過程能夠提高效率。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的氧化物形式，有極大的比表面積，光學性能和機械穩(wěn)定性都比較好，是具有層狀結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料。GO 中含有豐富的官能團，其大的比表面積和豐富的官能團優(yōu)異性質(zhì)在吸附、催化、傳感等眾多領(lǐng)域有著突出應(yīng)用，在植株生長中可以有效提高培苗根系形態(tài)，在電極材料、傳感器的研究與應(yīng)用方面掀起了一股研究熱潮。

1 石墨烯及其氧化物在作物培苗方面的應(yīng)用

1.1 石墨烯對作物幼苗根系形態(tài)及生物量的影響

郭緒虎[2-3]等將已消毒的藜麥種子播種在含有不同質(zhì)量濃度石墨烯的MS 培養(yǎng)基中培養(yǎng)14 d，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度為4.8 mg/L 的石墨烯對于生長著的藜麥幼苗根系形態(tài)和生物量的增加具有一定程度的提高。在石墨烯質(zhì)量濃度為8 mg/L 的MS 培養(yǎng)基培育的藜麥幼苗生長狀況明顯優(yōu)于對照組。當質(zhì)量濃度為4.8 mg/L 時，石墨烯MS 培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗根尖生長更好，分叉也變多。另外，經(jīng)不同質(zhì)量濃度石墨烯處理后的藜麥幼苗除20 mg/L 的石墨烯外，其余處理藜麥幼苗干物質(zhì)總量積累均顯著大于對照組，8 mg/L的石墨烯質(zhì)量濃度對藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的加速作用，大約為對照組幼苗干物質(zhì)質(zhì)量的1.6 倍。這表明，一定濃度的石墨烯有利于藜麥幼苗的干物質(zhì)積累。

金彩霞[4]等人對抗生素磺胺嘧啶(SD)和石墨烯以及它們的復合材料進行了小麥生根發(fā)芽的毒理測試。實驗結(jié)果表明只有加入石墨烯的小麥生長更快，而在石墨烯-SD 混合時，SD 起主導作用，石墨烯反而加大了SD對小麥種子的侵害，不利于小麥的生長。

劉尚杰[5]等通過研究石墨烯對水稻發(fā)芽、根系形態(tài)、幼苗生長量等方面的影響，發(fā)現(xiàn)石墨烯對水稻種子的萌發(fā)有一定的延緩作用，而在石墨烯濃度較低的情況下，石墨烯對水稻幼苗形態(tài)建成有著某些促進作用。

雖然在眾多的試驗研究中，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯在多數(shù)作物幼苗的生長中起到的是促進萌發(fā)的作用，但我們無法通過對一種作物的研究來斷定石墨烯對所有草生植物幼苗的生長指標，這依然需要我們對其他作物幼苗的生理機制進行探究。我們可以總結(jié)為，石墨烯的濃度或使用量對于作物幼苗的生長過程起著或大或小的影響。

1.2 氧化石墨烯對植株培苗生長的影響

薛斌龍[6]等以樹莓組培苗為實驗原料，將鹽脅迫下的樹莓生根培養(yǎng)基進行不同處理后于相同培養(yǎng)條件下測定了氧化石墨烯對鹽脅迫下的樹莓組培養(yǎng)基生根效果、抗氧化酶活性及其導電率的改變情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫再加適量濃度GO 處理后的樹莓組培苗生根狀況更佳，植株葉量明顯增加，進一步證明GO可緩解鹽脅迫對植株造成的損傷，讓幼苗根系在最佳生長環(huán)境中成熟。此外，在加入不同濃度GO 處理的鹽脅迫樹莓幼苗中，根系含有的3種抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)]的活性均降低，在莖段中的POD 和SOD 活性有所提高。這表明，植株本身含有的保護性酶是調(diào)節(jié)自身的新陳代謝和吸收，而實驗中的GO 恰巧起到了增加其吸附面積的作用。另外一方面，實驗中添加不同濃度GO 后的NaCl 脅迫樹莓培苗電導率均高于單獨鹽脅迫的樹莓培養(yǎng)基電導率，證明了GO 表面所帶的負電荷使其電導率升高。

吳金海[7]等發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯對甘藍型油菜種子的萌發(fā)具有促進作用，而根系生長指標大多數(shù)要取決于石墨烯的濃度。另外，甘藍型油菜培苗中所含的保護性酶也隨GO 的濃度改變而產(chǎn)生不同程度的改變。

陳天霞[8]等采用山西省楊樹局組內(nèi)的美國紅櫨組培苗為實驗原料，發(fā)現(xiàn)只有在較低或較高濃度GO處理下的培苗根系較完整，其他濃度GO 處理后的培苗根系形態(tài)不佳，但是所有濃度GO 處理后的美國紅櫨組培苗芽數(shù)均有所增加。

近年來，中國許多學者致力于研究石墨烯、GO對于草本植物、木本植物等的根系生長影響，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的植物培苗在加入石墨烯或GO 的情況下呈良好的生長趨勢，這也為未來石墨烯在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的理論基礎(chǔ)。

2 石墨烯及其氧化物在電極材料方面的應(yīng)用

2.1 石墨烯的電性改良

石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使得其在擠壓時受損程度能夠降到最低。石墨烯在室溫下的載流子遷移率多達硅材料的10 倍以上，且石墨烯的電子遷移率受溫度影響極小，是一種較為合適的電性改良原料。

劉雨璇[9]等分別制備了椰殼活性炭（AC）和石墨烯/椰殼活性炭復合材料。在掃描電子顯微鏡（SEM）下看到的AC 呈塊狀，因為椰殼在高溫下不被氧化使得AC 表面存在著許多不規(guī)則顆粒，而石墨烯的片層結(jié)構(gòu)使得它在膨脹或壓縮時都不易損壞。將活性炭和石墨烯混合成不同比例的石墨烯/椰殼活性炭復合材料進行循環(huán)伏安（CV）和恒流充放電（GCD）測試，由于石墨烯的電導率大于活性炭，這就提高了電子遷移率，復合材料的比電容也比椰殼活性炭增大了許多，有了更加良好的電學性能。

Ju Fu[10]等人成功地制作了獨特的三維（3D）分層多孔NiO 微花/石墨烯紙（fNiO/ GP）電極。所得的fNiO/GP 電極在高速率下顯示出優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性。便捷的3D 多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合了石墨烯的優(yōu)勢，石墨烯的高導電性和柔韌性，可確?？焖俚碾娮?離子傳輸并在充電/放電過程中緩沖NiO 的體積膨脹，以及可誘導層次結(jié)構(gòu)之間的分層的微型NiO 花。納米級的孔隙可以促進電解質(zhì)的滲透并防止石墨烯層的重新堆積。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計將激發(fā)未來用于高性能柔性LiB的各種活性材料/石墨烯復合電極的制造。

2.2 氧化石墨烯作為電極材料的應(yīng)用

由于GO 含有的豐富官能團和較好的穩(wěn)定性，以及良好的熒光猝滅特性[10]可以作為熒光傳感器應(yīng)用于繁雜的離子檢測體系中，也可以作為一種透明電極應(yīng)用到制造有機電致發(fā)光器件（OLED）上。在同等情況下，能更大程度地增加電極材料的多方面性能。

郭頌[11]等用GO 分別與空穴傳輸材料NPB 和8-羥基喹啉鋁(Alq3)摻雜制備不同的OLED，發(fā)現(xiàn)制備條件和測試環(huán)境一致的情況下，GO 與NPB 摻雜組成的器件性能明顯低于單一NPB材料，而GO與Alq3共蒸鍍組合成的器件卻高于單一Alq3器件，且GO 摻雜質(zhì)量濃度為10%時，共蒸鍍摻雜材料性能達到最佳。與石墨烯以一定比例混合的OLED 比原來更加高效、發(fā)光亮度增大，驅(qū)動電壓無需太大，極大地改進了OLED的性能。

呂鑫[12]等通過將APTS 和GPTS 在GO 表面把功能化納米氧化鋅和功能化納米氧化鈦混合，測定了不同配比復合涂料的穩(wěn)定性，以尋求最佳配比。實驗測得，GO 與功能化納米氧化鋅的質(zhì)量比為3∶1 是最佳比例，能夠使涂層達到穩(wěn)定的最佳實驗溫度是80 ℃，而實驗時間控制在15 min最佳。

劉葉峰[13]等制備出GO負載化的鈷酞菁復合催化劑CoAlPc/GO，并對其進行了紅外光譜檢測、固載化醛基鈷酞菁的形貌和微觀結(jié)構(gòu)的探測及CoAlPc/GO催化劑的光催化性能探究。證明了CoAlPc/GO 催化劑是一種穩(wěn)定的，且可以重復使用的具有優(yōu)良性能的催化劑。

GO 對于OLED 的研發(fā)探索會越來越受到關(guān)注，而GO 作為一種電極制備材料在電容器、生物傳感器等導電發(fā)光導熱設(shè)備中有著極好的應(yīng)用前景，會有效推動化工方面的研發(fā)技術(shù)。

3 結(jié)論及展望

石墨烯憑借其獨特的結(jié)構(gòu)在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從已有的研究報道中，石墨烯及氧化石墨烯對于作物的影響主要是改變植株培苗根系指標和莖部生長。氧化石墨烯能夠提高發(fā)光器件的發(fā)光亮度和電流等性能參數(shù)。

未來，石墨烯將會對產(chǎn)品研發(fā)和行業(yè)前進發(fā)揮巨大作用。