氧化石墨烯功能化應(yīng)用研究.pdf

1、2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈.海姆教授和他的學(xué)生康斯坦丁.諾沃肖洛夫用一種簡單的透明膠帶剝離法制備出了石墨烯，這一新型材料的問世立即引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。石墨烯作為幾乎接近完美的二維晶體材料，具有電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等方面的許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，并且在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，特別是在石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)、綠色制備、自組裝技術(shù)、三維結(jié)構(gòu)功能材料及新型復(fù)合材料方面等，每一項(xiàng)具體應(yīng)用都對石

2、墨烯的結(jié)構(gòu)和性能提出了相應(yīng)要求。
　　最近，采用改進(jìn)的Hummers法制備的氧化石墨烯，由于其自身具有獨(dú)特的性質(zhì)而成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一，可以彌補(bǔ)石墨烯基材料在制備和應(yīng)用等方面的某些不足之處。氧化石墨烯是具有單原子厚度的石墨烯的衍生物，一種典型的非化學(xué)計(jì)量超分子，一般認(rèn)為在氧化石墨烯的基平面上還有未被氧化的共軛苯環(huán)結(jié)構(gòu)，同時在氧化過程中形成了大量的含氧官能團(tuán)。氧化石墨烯具有生產(chǎn)成本低，易于制備，可規(guī)?；a(chǎn)及良好的加工性能，通常被

3、用作制備石墨烯的前驅(qū)體;目前，氧化石墨烯已經(jīng)成為構(gòu)建石墨烯基復(fù)合納米材料的基本結(jié)構(gòu)單元。氧化石墨烯的面內(nèi)和邊緣上均有共價鍵結(jié)合的大量含氧官能團(tuán)，可以通過共價或者非共價修飾將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣?、電活性材料，還可以與其他功能性納米材料直接復(fù)合或者原位復(fù)合，從而獲得優(yōu)異的復(fù)合功能納米材料。這些功能材料的制備和應(yīng)用是基于目前對氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理解基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，然而關(guān)于氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用仍有許多未解之謎限制了對其進(jìn)一步的利用，尤其是關(guān)于氧化

4、石墨烯的功能化應(yīng)用方面，期待廣大科技工作者去進(jìn)一步探索。
　　本文旨在采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯，并且進(jìn)一步探索其在未修飾和修飾條件下的不同組裝結(jié)構(gòu)的功能化應(yīng)用，主要內(nèi)容如下:
　　1.在無需添加其他表面活性劑或者穩(wěn)定劑的條件下，采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨，再通過調(diào)控超聲剝離的時間和功率進(jìn)而獲得不同尺寸的單層或者少數(shù)層的氧化石墨烯薄片;隨后在這些不同尺寸的氧化石墨烯薄片的水溶液中，氧化石墨烯薄片可以

5、借助水/汽界面為平臺自組裝形成一系列的氧化石墨烯基功能結(jié)構(gòu)，如薄膜、纖維、亞微米棒及納米棒。重要的是，我們通過一系列的測試表征對它們相應(yīng)的形成機(jī)理進(jìn)行了有益探索。
　　2.以氧化石墨烯、氫氧化鈉和硼酸為原料，通過一步水熱反應(yīng)合成了硼酸根離子交聯(lián)的還原氧化石墨烯，再采用過濾法將其組裝成導(dǎo)電石墨烯紙。該硼酸根離子交聯(lián)的還原氧化石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，在外加電壓為2V時，流經(jīng)其組裝的石墨烯紙的電流值可以達(dá)到30mA，其導(dǎo)電性能與

6、CVD法生長的單層石墨烯的導(dǎo)電性能接近。一系列的測試表征結(jié)果證明，硼酸根離子可以與氧化石墨烯的環(huán)氧基及羥基反應(yīng)來修補(bǔ)氧化石墨烯基平面內(nèi)的缺陷，同時氫氧化鈉作為脫氧劑參與反應(yīng)，兩者的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)了硼酸根離子交聯(lián)的還原氧化石墨烯及其組裝的石墨烯紙的導(dǎo)電性能。
　　3.以氧化石墨烯水溶液和六次甲基四胺固體為原料，通過一鍋法水熱反應(yīng)合成了連續(xù)多孔的三維氮摻雜還原氧化石墨烯水凝膠。三維多孔的水凝膠具有較大的比表面積和豐富的官能團(tuán)，對有機(jī)染料

7、（如亞甲基藍(lán)，純藍(lán)墨水和若丹明6G等）具有優(yōu)異的吸附性能。通過一系列的測試表征結(jié)果揭示，在水熱反應(yīng)過程中，六次甲基四胺既是氧化石墨烯的還原劑和氮摻雜劑，又是水凝膠形成過程中的改性劑。
　　4.以粒徑為納米尺寸的煙灰顆粒為原料，采用改進(jìn)的Hummers法將其轉(zhuǎn)變成煙灰顆粒氧化物，隨后把煙灰顆粒氧化物在去離子水中超聲剝離，再經(jīng)過透析可以獲得粒徑大小約為50nm的氧化石墨烯納米片，最后在微量的錳(Ⅱ)離子絡(luò)合誘導(dǎo)下氧化石墨烯納米片自組裝