氧化石墨烯功能化應用研究.pdf

1、2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈.海姆教授和他的學生康斯坦丁.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的廣泛關注。石墨烯作為幾乎接近完美的二維晶體材料，具有電學、光學、熱學、力學、磁學等方面的許多優(yōu)異的物理性質，并且在眾多領域具有廣闊的應用前景。但是，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，特別是在石墨烯規(guī)?；a、綠色制備、自組裝技術、三維結構功能材料及新型復合材料方面等，每一項具體應用都對石

2、墨烯的結構和性能提出了相應要求。
　　最近，采用改進的Hummers法制備的氧化石墨烯，由于其自身具有獨特的性質而成為當今的研究熱點之一，可以彌補石墨烯基材料在制備和應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，一種典型的非化學計量超分子，一般認為在氧化石墨烯的基平面上還有未被氧化的共軛苯環(huán)結構，同時在氧化過程中形成了大量的含氧官能團。氧化石墨烯具有生產成本低，易于制備，可規(guī)?；a及良好的加工性能，通常被

3、用作制備石墨烯的前驅體;目前，氧化石墨烯已經成為構建石墨烯基復合納米材料的基本結構單元。氧化石墨烯的面內和邊緣上均有共價鍵結合的大量含氧官能團，可以通過共價或者非共價修飾將其轉變?yōu)楣狻㈦娀钚圆牧?，還可以與其他功能性納米材料直接復合或者原位復合，從而獲得優(yōu)異的復合功能納米材料。這些功能材料的制備和應用是基于目前對氧化石墨烯的結構和性質的理解基礎之上進行的，然而關于氧化石墨烯的性質和應用仍有許多未解之謎限制了對其進一步的利用，尤其是關于氧化

4、石墨烯的功能化應用方面，期待廣大科技工作者去進一步探索。
　　本文旨在采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯，并且進一步探索其在未修飾和修飾條件下的不同組裝結構的功能化應用，主要內容如下:
　　1.在無需添加其他表面活性劑或者穩(wěn)定劑的條件下，采用改進的Hummers法制備氧化石墨，再通過調控超聲剝離的時間和功率進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構，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的形成機理進行了有益探索。
　　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)異的光學和電學特性，在外加電壓為2V時，流經其組裝的石墨烯紙的電流值可以達到30mA，其導電性能與

6、CVD法生長的單層石墨烯的導電性能接近。一系列的測試表征結果證明，硼酸根離子可以與氧化石墨烯的環(huán)氧基及羥基反應來修補氧化石墨烯基平面內的缺陷，同時氫氧化鈉作為脫氧劑參與反應，兩者的協(xié)同效應增強了硼酸根離子交聯(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，對有機染料

7、（如亞甲基藍，純藍墨水和若丹明6G等）具有優(yōu)異的吸附性能。通過一系列的測試表征結果揭示，在水熱反應過程中，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，采用改進的Hummers法將其轉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)離子絡合誘導下氧化石墨烯納米片自組裝