4.全文总结及展望 25

4.1全文总结 25

4.2课题研究展望 25

参考文献 26

1.绪论

1.1引言

石墨烯[1](graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，从石墨中成功分离出石墨烯，证实了它可以单独存在。两人也因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的碳六元环结构。从结构上来看，石墨烯可以看作是富勒烯、碳纳米管以及石墨等碳材料的基本组成单元。其包裹成球可以得到富勒烯；沿着固定轴旋转可以形成碳纳米管；多层石墨烯堆叠组装在一起就形成了石墨[2]。实验研究过程中，研究者也确实发现碳材料这几种同素异形体在一定条件下存在着相互转化现象[3]。石墨烯独特的结构使其具有一系列优异的物理化学性质[4]，如高热导性[5]和高机械强度[6]、室温下的量子霍尔效应[7]、双极性电场效应[8]等。因而，可以预见石墨烯具有广阔的应用前景。目前，研究者们已经通过多种方法对石墨烯进行了改性与功能化[9]，制备得到了一系列具有不同结构和性能的石墨烯衍生物[10]。这大大扩展了石墨烯材料的应用领域。到目前为止，有关石墨烯化学的综述已有多篇，其中最有代表意义的是Ruoff课题组探究石墨烯研究起源的文章。他们在这篇文章中综合评述了氧化石墨烯的发展历史、结构特征、制备及其功能化的技术方法[11]。Loh等又以“the chemistry of graphene”为题，重点介绍了石墨烯的各种制备方法以及功能化应用[12]。下面对有关石墨烯制备及RGO修饰电极光电化学行为的研究作一简要介绍。

1.2石墨烯氧化物的基本结构和性质

石墨烯是单层或少数几层的sp2碳原子组成的二维碳层。合成具有不同化学性质和结构的石墨烯及其复合物以及建立可控的制备方法对其各种潜在的应用至关重要。石墨烯被功能化后，上面带有大量的含氧官能团，为基于石墨烯的各种复合材料的制备和应用提供了可能性。

氧化石墨烯是石墨烯经过化学剥离法在石墨烯表面引进大量含氧官能团后而得到的一类物质。由各种表征分析仪器如表面元素分析（XPS），红外光谱（FT-IR）等得到的分析结果可知，经过强氧化剂的氧化，石墨表面附着了大量的含氧官能团，如羧基、羟基和大量的sp2-C结构单元[13-14]。这样，氧化石墨烯表面包括了边缘的羰基、羧基[15]和基面的羟基、环氧基团与sp2-C结构单元这两个区域。

实验证明，经过强氧化剂氧化后的石墨烯，其各方面的性质都有所改变，物理性质也不例外。例如，石墨烯经过氧化后，表面会附着大量的亲水基团，使得石墨烯氧化物在水或者有机溶剂中有更好的分散性。经过化学修饰后，产物在有机溶剂中的分散性还会进一步提高。石墨烯在没被氧化之前是属于零带隙金属，而当被强氧化剂氧化过后，引进的环氧基改变了石墨烯的电子结构，从而变为了半导体。另外，在氧化石墨烯中，环氧基中的C-O-C键角发生弯曲，氧原子向石墨面内方向运动；其次在高载荷下，氧原子与石墨烯中的碳原子共平面，化学键的断裂从C-C键处开始。

随着氧化程度的不同，最终得到的石墨烯氧化物的结构也会有所不同。其网状晶格结构主要是由苯环、sp2-C结构单元和环氧基团所共同决定的。单层氧化石墨烯的理论结构示意图如图1-1所示。图中所示的附着在石墨烯上的大量极性官能团在纳米复合材料[16]的构建以及和一部分带有极性的聚合物结合过程中具有重要的作用。