化學(xué)還原氧化石墨烯及其衍生物的制備、性質(zhì)和應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯（Graphene）是由單層碳原子六方堆積而成的二維碳材料，具有理想的晶格結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)，在電子器件、生物和化學(xué)傳感器、儲(chǔ)能器件及復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，石墨烯的制備方法主要包括：微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法、氧化石墨烯溶液（Graphene Oxide，GO）還原法和有機(jī)合成法。與其它方法相比，氧化石墨烯溶液還原法具有成本低、產(chǎn)率高和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，有望成為規(guī)?；苽涫?/p>

2、的有效途徑之一。
　　本論文針對(duì)目前 GO溶液還原法制備石墨烯過(guò)程中存在的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，創(chuàng)新性地以具有較強(qiáng)還原能力和環(huán)境友好的抗壞血酸（L-AA）（維生素C）為還原劑，實(shí)現(xiàn)了GO的有效還原，制備出了具有較高還原程度的化學(xué)還原氧化石墨烯（Chemically Reduced Graphene Oxide，CRG）。由于其表面仍然殘留有極少量的含氧基團(tuán)，為了與嚴(yán)格意義上的石墨烯相區(qū)別，在此文中我們稱之為化學(xué)還原氧化石墨烯，并在此基礎(chǔ)

3、上合成出了化學(xué)還原氧化石墨烯/聚乙烯吡咯烷酮（CRG/PVP）納米復(fù)合物等。同時(shí)，對(duì)它們的組成、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，及其在酶固載和電化學(xué)傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）通過(guò)石墨插層氧化處理再超聲剝離的方法制備出了單分散 GO水懸浮液。利用原子力顯微鏡（AFM）、透射電鏡(TEM)、紅外光譜(FT-IR）、拉曼光譜(Raman)、X-射線衍射（XRD）、X-射線光電子能譜(XPS)和固體13C魔角旋轉(zhuǎn)核磁

4、共振(Solid State13C Magic-Angle Spinning(MAS) NMR)對(duì)其化學(xué)組成、晶態(tài)結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了系統(tǒng)表征和分析。結(jié)果表明，所制備的GO具有單原子層結(jié)構(gòu)，表面富含大量的含氧基團(tuán)，在水中具有良好的單分散性。
　?。?）在不添加任何穩(wěn)定劑（Stablizer）的條件下，以具有較強(qiáng)還原能力和環(huán)境友好的抗壞血酸（L-AA）（維生素C）為還原劑，在水溶液中還原GO制備出了單分散的CRG。采用AFM、TEM、高

5、分辨透射電鏡(HRTEM)、紫外可見(jiàn)光譜(UV-vis)、FT-IR、Raman、XRD和XPS對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，也通過(guò)四探針測(cè)量?jī)x測(cè)定了CRG薄片的電導(dǎo)率；并利用導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM）對(duì)單層 CRG的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所制備出的CRG具有較好的導(dǎo)電性，并可以分散于水中形成穩(wěn)定的懸浮液。
　?。?）以水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和GO為原料，L-AA為還原劑及質(zhì)子化試劑，經(jīng)一步法合成出了CRG/P

6、VP納米復(fù)合物。采用UV-vis、Raman、XPS、Solid State13C MAS NMR、示差掃描熱量法（DSC）和熱重分析法（TGA）對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；采用AFM原位觀察了單層CRG/PVP納米復(fù)合物的水吸附能力；利用CAFM對(duì)單層CRG/PVP復(fù)合物薄膜的電學(xué)及濕敏性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過(guò)簡(jiǎn)單的一步法成功將 PVP接枝于單層 CRG上形成 CRG/PVP納米復(fù)合物；單層CRG/PVP的導(dǎo)電性對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的改變十分靈

7、敏。
　　（4）在不加入任何偶聯(lián)劑和不對(duì)表面進(jìn)行任何修飾的條件下，實(shí)現(xiàn)了辣根過(guò)氧化物酶(HRP)在GO表面的有效固載。利用AFM原位觀察了HRP在GO原子級(jí)平整表面的固載過(guò)程，以苯酚作為還原底物研究了固載酶的催化性質(zhì)。結(jié)果表明，單層GO是一種理想的酶固載基底材料，HRP與GO官能團(tuán)的相互作用決定著GO固載酶的催化效率。
　?。?）采用電化學(xué)循環(huán)伏安法（CV）和微分脈沖伏安法(DPV)研究了部分還原氧化石墨烯（PCRG）固載H