氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

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1、氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?海姆(AndreGeim)和康斯坦丁?諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)成功地從石墨中分離出一層碳原子構(gòu)成的石墨烯,兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自此，石墨烯由于其突岀的導(dǎo)熱性、室溫高速載流子遷移率、透光性和力學(xué)性能等，同時(shí)具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，受到了世界各界的廣泛關(guān)注，也成為科研領(lǐng)域的新興寵兒。氧化石墨烯是石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化后的產(chǎn)物，它是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的

2、官能團(tuán)。氧化石墨烯復(fù)合材料包括聚合物類(lèi)復(fù)合材料以及無(wú)機(jī)物類(lèi)復(fù)合材料更是具有廣泛的應(yīng)用前景，因?yàn)槌蔀檠芯康挠忠恢攸c(diǎn)。一、氧化石墨烯的分子結(jié)構(gòu)石墨被強(qiáng)氧化劑氧化，氧原子進(jìn)入到石墨層間，結(jié)合"電子，使層面內(nèi)的二鍵斷裂，并以C=0,C-OH,-COOH等官能團(tuán)與密實(shí)的碳網(wǎng)面中的碳原子結(jié)合，形成共價(jià)鍵型石墨層間化合物。氧化石墨烯的理想結(jié)構(gòu)組成為C400H,也有文獻(xiàn)報(bào)道其組成為Cx+(OH)y-(H20)2,其中C、H、0等各元素的含量隨氧化程度不同而發(fā)生改變，一般范圍為C7O4H2-C24O13H9,目前，普遍認(rèn)為氧化石墨是一個(gè)準(zhǔn)二維固體物質(zhì)。氧化石墨烯由尺寸不定的未被氧化的芳香“島”

3、組成，而這些“島”則被含有醇輕基、環(huán)氧基團(tuán)和雙鍵的六元脂環(huán)所分開(kāi)，芳香環(huán)、雙鍵和環(huán)氧基團(tuán)使得碳原子點(diǎn)陣格式近乎處于同一平面，僅有連接到輕基基團(tuán)的碳原子有較輕微的四面體構(gòu)型畸變，導(dǎo)致了一些層面的卷翹。官能團(tuán)處于碳原子點(diǎn)陣格子的上下，形成了不同密度的氧原子分布。干燥的氧化石墨在空氣中穩(wěn)定性較差，很容易吸潮而變成水合氧化石墨，層間距也會(huì)隨其含水量的高低而有所不同。隨含水量的增加，層間距從o?6nm增加到而導(dǎo)致X射線(xiàn)(100)衍射峰的位置的變化。鑒于氧化石墨烯在石墨烯材料領(lǐng)域中的地位，許多科學(xué)家試圖對(duì)氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)和準(zhǔn)確的描述，以便有利于石墨烯材料的進(jìn)一步研究，雖然已經(jīng)利用

4、了計(jì)算機(jī)模擬、拉曼光譜，核磁共振等手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但由于種種原因(不同的制備方法，實(shí)驗(yàn)條件的差異以及不同的石墨來(lái)源對(duì)氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)都有一定的影響)，氧化石墨烯的精確結(jié)構(gòu)還無(wú)法得到確定。二、氧化石墨烯的制備方法氧化石墨烯的制備方法主要有Brodie、Staudenmaier和Hummers三種方法，它們都是用無(wú)機(jī)強(qiáng)質(zhì)子酸(如濃硫酸、發(fā)煙硝酸或它們的混合物)處理原始石墨，將強(qiáng)酸小分子插入石墨層問(wèn)，再用強(qiáng)氧化劑(如KMnO4>KCIO4等)對(duì)其進(jìn)行氧化。1>Brodie法1898年Brodie采用發(fā)煙HNO3體系，以KCIO3為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度需先維持在0°C,然后，

5、不斷攪拌反應(yīng)20-24ho洗滌后獲得的氧化石墨的氧化程度較低，需進(jìn)行多次氧化處理以提高氧化程度，反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。該法的優(yōu)點(diǎn)是其氧化程度可利用氧化時(shí)間進(jìn)行控制，合成的氧化石墨結(jié)構(gòu)比較規(guī)整。但因采用KCIO3作氧化劑，有一定的危險(xiǎn)性。2、Staudenmaier法采用濃H2SO4體系，和發(fā)煙HN03混合酸對(duì)石墨粉處理，以KCIO3為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度一直維持在0°C。氧化程度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，可通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制石墨烯的最終氧化程度。一般氧化程度較低，需進(jìn)行多次氧化處理，GO碳層破壞嚴(yán)重。3、Hummers法采用濃H2S04加NaN03體系，以KMnO4為氧化劑，

6、傅玲等將反應(yīng)過(guò)程可分低溫（（4°C以下）、中溫（35°C左右）和高溫（（98°C以下）反應(yīng)三個(gè)階段。該法的優(yōu)點(diǎn)是用KMnO4;代替KC103,提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，減少了有毒氣體的產(chǎn)生。同時(shí)該方法所需的氧化時(shí)間較短，產(chǎn)物的氧化程度較高，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)較規(guī)整且易于在水中發(fā)生溶脹而層離。==采用Hummers方制備氧化石墨，具體的工藝流程：在冰水浴中裝配好250mL的反應(yīng)瓶，加入適量的濃硫酸，攪拌下加入2g石墨粉和lg硝酸鈉的固體浪合物，再分次加入6g高猛酸鉀，控制反應(yīng)溫度不超過(guò)20°C,攪拌反應(yīng)一段時(shí)間，然后升溫到35°C左右，繼續(xù)攪拌30min,再緩慢加入一定量的去離子水，續(xù)拌20

7、min后，并加入適量雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色。趁熱過(guò)濾，并用5%HCI溶液和去離子水洗滌直到濾液中無(wú)硫酸根被檢測(cè)到為止。最后將濾餅置于60°C的真空干燥箱中充分干燥，保存?zhèn)溆?。此外，近年?lái)，不少學(xué)者也探索更好的制備方法。MatsuoY采用電化學(xué)方法，將石墨投入強(qiáng)酸中，以Hg/HgSO4為電極，電解氧化后投入水中，干燥后得到氧化石墨烯。DanielaC.Marcano等以KMnO4和9:1（體積比）的H2SO4/H3PO4為氧化劑，采用不加入NaNCh的方法也制備出氧化石墨烯，該方法提高了