一、 选题的背景与意义：

石墨烯是由单层碳原子构成的新型二维晶体材料。在过去的几年里, 这种独特的单原子层结构展现了许多奇特的物理化学性质, 并且已经在微电子、量子物理、材料和化学等领域表现出优异的性能和广泛的应用前景, 使碳材料继碳纳米管后再次成为国内外的研究热点。

近20年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管(CNTs)均引起了巨大的反响，兴起了研究热潮。2004年，Manchester大学的Geim小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体——石墨烯。石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由sp2杂化的碳原子连接的单原子层构成的，其基本结构单元为苯分子的碳六元环。其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。

随着石墨烯低成本、大规模制备技术的发展，许多应用也相继出现，并越来越受到重视。其中，复合材料是石墨烯有望最快得到应用的方向之一。石墨烯具有优异的氢气吸附特性，可望在储氢材料领域得到应用。例如，2006 年Ruoff研究组在Nature上报道了第一个石墨烯基复合材料，其渗流阈值与纳米碳管聚苯乙烯复合材料相当，并具有高导热性和高强度等特点，可望制成导电塑料用于太阳能电池板或计算机中的散热部件。最近，该研究组利用流体定向方法将离散的氧化石墨烯组装成高强度、高硬度、高韧性的纸状材料，为其在超级电容器、分子存储材料以及性能可控的渗透膜等方面的应用奠定了基础。

此外，由于原子尺度的厚度、优异的电学质量、极其微弱的自旋-轨道耦合、超精细相互作用的缺失以及电学性能对外场敏感等特性，石墨烯还可望在场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域获得广泛应用。如Schedin等利用石墨烯制成了第一个可以精确探测单个气体分子的化学传感器，极大提高了微量气体快速检测的灵敏性。研究还发现，高灵敏性来自于石墨烯电学上的低噪音特性，因此还可用于外加电荷、磁场以及机械应力等的敏感检测。

石墨(Graphene)是由单层石墨层片以sp2杂化的碳原子紧密排列而形成的二维蜂窝状晶体结构,基本的结构单元是苯六环 ,其理论厚度仅为0.35 nm 约为头发丝直径的二十万分之一,是目前为止所发现最薄的二维材料.石墨烯独特的结构使其具有优异的导电性能,载流子迁移率1.5 104cm2V-1s-1热导率5 103W m-1K-1.高于碳纳米管和金刚石,是室温下铜的热导率401Wm-1K-1的10倍多.超大的比表面积2630 m2/g.是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构,其理论弹性模量可达1.1 TPa,拉伸强度可达125 GPa.由于石墨烯具有这么多优异的力学性能,导电导热性能同时又是纳米级的填充材料,而且还可以与聚合物金属纳米颗粒,碳纳米材料以及有机小分子等基体形成多元复合材料。

二、 研究的基本内容与拟解决的主要问题：

本文论述了石墨烯电化学和生物传感器的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测Ｏ2、ＣＯ和ＮＯ2）、石墨烯ＤＮＡ传感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。

2004年，英国曼彻斯特大学Ａｎｄｒｅ　Ｋ．Ｇｅｉｍ等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料———“石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）”。石墨烯是碳纳米材料家族的新成员，具有二维层状纳米结构，室温下相当稳定。由于在石墨烯中碳原子呈ｓｐ２ 杂化，贡献剩余一个ｐ轨道上的电子形成了大π键，π电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子（如H2O2、ＮＡＤＨ）具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器，即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器。在电化学中应用的石墨烯大部分都是由还原石墨烯氧化物得到的，也称为功能化石墨烯片或者化学还原石墨烯氧化物，这种物质通常有较多的结构缺陷和官能团，在电化学应用上具有优势。

碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池方面有着良好的性能。基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：①体积小，表面积大；②灵敏度高；③响应时间快；④电子传递快；⑤易于固定蛋白质并保持其活性；⑥减少表面污染的影响。

三、研究的方法与技术路线：

第一部分石墨烯的制备: 墨烯的制备方法可以分为两大类，物理方法和化学方法。 其中，物理方法是指利用完整的石墨通过不同的物理方法来获得石墨烯，一般工艺简单，不需要添加任何化学试剂， 但是获得的石墨烯尺寸较大，大约在 100nm以上；化学方法是利用小分子通过化学合成石墨烯或者通过溶液分离的方法制备石墨烯

第二部分是石墨烯的应用，在燃料电池,电极材料,锂离子电极等等方面的应用。

第三部分是石墨烯的发展前景，石墨烯作为碳家族最新的一员，由于具有特殊的二维结构及优异的物化性能而备受材料研究者的广泛关注。目前，世界各国在石墨烯研究方面已有相当可观的进展。

四、研究的总体安排与进度：

1.第一阶段：查阅资料，撰写开题报告，2017年3月3日提交开题报告。

2.第二阶段：查阅资料，调查研究，与导师沟通，做出论文初稿

3.第三阶段：毕业论文中期检查

4.第四阶段：在导师指导下，补充和完善论文初稿

5.第五阶段：进一步修改，定稿

第六阶段：论文答辩

五、主要参考文献：

[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric fieldeffect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306(5296):666-669.

[2] Yanwu Zhu, Shanthi Murali, Weiwei Cai, et al. Grapheneand graphene oxide: synthesis, properties, and applications[J]. Advanced Materials, 2010, 22(35), 3906-3924.

[3] Geim A K, Novoselov K S. The rise of graphene[J]. NatureMaterials, 2007, 6(3):183-191.

[4] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electricfield effect in atomically thin carbon films [J]. Science,2004, 306(5296):666-669.

[5] Balandin A A, Ghosh S, Bao W, et al. Superior thermalconductivity of singer -layer graphene [J]. Nano Letter,2008, 8(3):902-907.

[6] Chae H K, Siberio-perez D Y, Kim J, et al. A rote to highsurface area, porosity and inclusion of large molecules incrystals[J]. Nature, 2004, 427(6974):523-527.

[7] Lee C G, Wei X D, Kysar J W, et al. Measurement of thethe elastic properities and intrinsic strength of monolayergraphene[J]. Science, 2008, 321(5887):358-388.

指导教师审核意见：

签 名:

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