石墨烯的制備功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用

石墨烯的制備功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用第一頁，共十七頁，2022年，8月28日什么是石墨烯？石墨烯的分子結(jié)構(gòu)

Themolecularstructureofgrapheme第二頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的概況2004年由NovoselovK.S.和GeimA.K.首次發(fā)現(xiàn)。由碳原子以SP2雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體。世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，厚度僅為0.35nm強度達130GPA，是鋼的100多倍；熱導(dǎo)率可達5000w·m-1·k-1，是金剛石的3倍；電阻率約10-6Ω·cm，比銅或銀更低。第三頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的制備機械剝離法用機械力的作用剝離出石墨烯片層。尺寸不易控制，產(chǎn)率低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。氧化還原法用強氧化劑在石墨層間引入含氧官能團，通過外力剝離得到單原子厚度氧化石墨烯再進一步還原可得石墨烯化學(xué)氣相沉積法（CVD）將過渡金屬薄片或者膜置于碳氫化合物氣體中，過渡金屬作為催化劑，在容器中高溫使碳氫化合物裂解，從而在基板上沉積形成石墨烯膜?！狽ovoselov.K.S和Geim.A.K用此法首次制得石墨烯。——此法制得的石墨烯為獨立單層石墨烯片，實驗條件簡單，是目前研究最多的方法?！朔椒ㄗ畲蟮膬?yōu)點在于可制備出面積較大的石墨烯片。第四頁，共十七頁，2022年，8月28日晶體外延伸法

先將6H-SiC表面進行氧化或H2刻蝕預(yù)處理，再在高真空下加熱除去氧化物，最后加熱至1250℃~1450℃后恒溫1min~20min得石墨烯片層。電化學(xué)方法將兩個高純的石墨棒平行插入含有離子液體的水溶液中，控制電壓在10-20V，30min后陽極石墨棒被腐蝕，液體中的陽離子在陰極還原形成自由基，與石墨烯片中的π電子結(jié)合，形成離子液體功能化的石墨烯片，之后經(jīng)洗滌干燥得到石墨烯。——能夠制得1-2碳原子層厚的石墨烯，但難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯?！朔ㄖ苽涞氖┢瑢哟笥趩卧訉雍穸取５谖屙?，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的功能化為何要功能化？氧化石墨烯石墨烯表面含有大量含氧基團溶解性提高，但導(dǎo)電性下降?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，表面呈惰性狀態(tài)。片與片之間范德華力強，容易產(chǎn)生聚集。難容于水以及常用有機溶劑第六頁，共十七頁，2022年，8月28日如何功能化？石墨烯的功能化共價鍵功能化非共價鍵功能化慘雜功能化第七頁，共十七頁，2022年，8月28日共價鍵功能化

由于氧化石墨烯表面含有大量羧基、羥基和環(huán)氧基團，因而可以利用這些基團與其他分子之間的化學(xué)反應(yīng)對石墨烯表面進行共價鍵功能化2006年，Stankovich等利用有機小分子實現(xiàn)了石墨烯的共價鍵功能化。他們首先制備了氧化石墨，然后利用異氰酸酯與氧化石墨上的羧基和羥基反應(yīng)，制備了一系列異氰酸酯功能化的石墨烯。該功能化石墨烯可以在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等多種極性非質(zhì)子溶劑中實現(xiàn)均勻分散，并能夠長時間保持穩(wěn)定。第八頁，共十七頁，2022年，8月28日異氰酸酯功能化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有良好的溶解性，但由于含氧官能團的介入，破壞了石墨烯的大π共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其導(dǎo)電性及其他性能顯著降低。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日非共價鍵功能化

對石墨烯表面進行物理吸附和聚合物包裹等，物理吸附和聚合物包裹法對石墨烯的固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有破壞作用，可使結(jié)構(gòu)和性質(zhì)得到最大程度地保持。石墨烯與被修飾物之間的π-π作用以及超分子包合作用是非共價鍵功能化的主要機理。石墨烯表面進行物理吸附和聚合物包裹π-π表面功能化石墨烯第十頁，共十七頁，2022年，8月28日非共價鍵功能化舉例表面修飾劑修飾過程與機理聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）用PPS修飾氧化石墨烯再進行還原，PPS與石墨烯之間的非共價鍵作用阻止了石墨烯片的聚集，使該復(fù)合物在水中具有較好的溶解性。聚乙烯炔類高分子（PmPV）將膨脹石墨分散到PmPV的二氯乙烷溶液中，然后超聲得到石墨烯納米帶，利用PmPV與石墨烯之間π-π相互作用提高其分散性。芘及其衍生物利用石墨烯與芘之間的π-π相互作用，使其在水中形成穩(wěn)定的分散，并通過抽濾得到石墨烯膜。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日摻雜功能化石墨烯摻雜是實現(xiàn)石墨烯功能化的重要途徑之一，是調(diào)控石墨烯電學(xué)與光學(xué)性能的一種有效手段。第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日摻雜功能化舉例在化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的過程中通入氨氣提供氮源，可得到N摻雜的石墨烯。N摻雜石墨烯顯示出n型半導(dǎo)體導(dǎo)電特征。將氧化石墨烯片在氨氣下低溫退火后可得到N摻雜的n型石墨烯。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日功能化石墨烯的相關(guān)應(yīng)用聚合物復(fù)合材料光電功能材料與器件生物醫(yī)藥第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯與聚合物的復(fù)合材料功能化以后的石墨烯可以采用溶液加工等常規(guī)方法進行處理，能開發(fā)出高性能聚合物復(fù)合材料。例如：石墨烯-聚苯乙烯復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性；加入1%的功能化石墨烯，可以使聚丙烯腈的玻璃化溫度提高40

℃，大大提高了其穩(wěn)定性。光電功能材料與器件石墨烯具有大的偶極距矩和π體系等特點，符合非線性光學(xué)材料的特點，目前已經(jīng)研制出基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管（FET）等多種材料。

第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日生物醫(yī)藥應(yīng)用由于石墨烯具有單原子層，其比表面積很大，非常適合用作藥物載體。目前已