氧化石墨烯研究報告

石墨烯調(diào)研報告（氧化石墨烯應(yīng)用）石墨烯是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體，是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本構(gòu)造單元。它含有高電導、高熱導、高硬度和高強度等奇特的物理、化學性質(zhì)，在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是石墨烯由于強大的范德華力含有疏水性和易團聚的特點，限制了其廣泛應(yīng)用。氧化石墨烯的出現(xiàn)正好解決了上述問題，它是石墨烯的派生物，與石墨烯的構(gòu)造大致相似．只是在一層碳原子構(gòu)成的二維空間無限延伸的基面上連接有大量含氧基團，平面上含有-OH和C-O-C，而在其片層邊沿含有C＝O和COOH。與石墨烯相比，氧化石墨烯有更加優(yōu)秀的性能，其不僅含有良好的潤濕性能和表面活性，并且能被小分子或者聚合物插層后剝離，在改善材料的熱學、電學、力學等綜合性能方面發(fā)揮著非常重要的作用。有不少專家學者對氧化石墨烯的制備及應(yīng)用進行了進一步研究，其中氧化石墨烯復合材料的發(fā)展十分快速，進一步拓展了氧化石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。1氧化石墨烯的制備現(xiàn)在，氧化石墨烯的制備工藝相對成熟，比較傳統(tǒng)的化學辦法重要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法，現(xiàn)今仍在沿用，只是在各辦法基礎(chǔ)上做了略微改善。這些辦法的制備原理都是將石墨在強酸和少量強氧化劑的共同作用下形成1階的石墨層間化合物，然后此層間化合物在過量強氧化劑的作用下繼續(xù)發(fā)生深度液相氧化反映，水解后得到氧化石墨，最后通過超聲或者長時間攪拌氧化石墨和水的混合物即可獲得氧化石墨烯，產(chǎn)物的氧化程度及合成T藝與反映時間有關(guān)，能夠通過C、O的原子比進行衡量。Brodie法和Staudenmaier法氧化程度高，但反映過程中會產(chǎn)生ClO2、NO2或者N2O4等有害氣體且反映時間長，而Hummers法反映時間短，無有毒氣體ClO2產(chǎn)生，安全性較高，因而成為制備氧化石墨烯普遍使用的辦法。但是此反映過程中需控制的工藝因素較多，過量的高錳酸離子會造成潛在的污染，因而需要用H2O2進行解決，并加以水洗和透析。近年來，也有不少學者在探索更加好的制備辦法。Matsuoy采用電化學辦法將石墨在強酸中，以Hg/Hg2SO4為電極電解氧化后投入水中，干燥后得到氧化石墨烯。DanielaC．Marcano等以KMnO4和9：1(體積比)的H2SO4/H3PO4為氧化劑，采用不加入NaNO3的辦法也制備出氧化石墨烯，該辦法提高了氧化過程的有效性，所得產(chǎn)物親水性增強，反映過程不產(chǎn)生有毒氣體，環(huán)境污染小，反映溫度容易控制。ShenJianfeng等用過氧化苯甲酰為氧化劑，快速制備出氧化石墨烯，縮短了制備時間。2氧化石墨烯復合材料氧化石墨烯因表面含有大量含氧官能團，使得碳層帶負電荷，這樣帶正電荷的陽離子很容易進入層間，并把層間距撐大，為聚合物和無機納米粒子的負載提供有利條件。近年來，氧化石墨烯的復合材料發(fā)展十分快速，不管是其聚合物類復合材料還是無機物類復合材料，都顯示出非常優(yōu)越的性能，在能源、電子、生物醫(yī)藥、催化等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值。2.1聚合物類氧化石墨烯復合材料聚合物類氧化石墨烯復合材料的研究成果層出不窮，制備辦法重要為原位聚正當、熔融共混法以及溶液共混法。將聚合物與氧化石墨烯復合重要是由于氧化石墨烯作為新的高性能增強體可覺得聚合物復合材料帶來力學、電學、熱學等多方面性能的提高。為此，許多學者對聚合物類氧化石墨烯復合材料的性能進行了研究。2.1.1復合材料的力學性能層狀的氧化石墨烯表面有無數(shù)的化學官能團，容易賦予其更多的化學功效，可使相鄰層交聯(lián)以改善單片問的力學互相作用．進而變化材料的物理性能。聚苯并咪唑普通作為高溫構(gòu)造膠粘劑，在航空航天中有較好的應(yīng)用前景，為了進一步提高它的性能．有人嘗試將多個無機填料加入到聚合物中，但效果不甚抱負。WangYan等用溶液交換法制備出氧化石墨烯/聚苯并咪唑復合材料，與單純的聚苯并咪唑相比，其楊氏模量、拉伸強度以及韌性均得到明顯改善，熱穩(wěn)定性也得到對應(yīng)提高，并且有效解決了聚苯并咪唑價格昂貴的問題，僅加入0．3％(質(zhì)量分數(shù))的氧化石墨烯就使復合材料的楊氏模量提高17％，拉伸強度提高33％．韌性提高88％?；谘趸┍砻娴暮趸鶊F有望與殼聚糖表面上的羥基間通過氫鍵作用形成含有特殊性質(zhì)的納米復合材料，趙茜等對氧化石墨烯/殼聚糖復合材料進行了研究。YangXiaoming等將殼聚糖和氧化石墨烯在水溶液中自組裝，制備了氧化石墨烯／殼聚糖納米復合材料，氧化石墨烯以分子尺度在殼聚糖基體中分散良好，并且彼此有互相作用。拉伸實驗成果表昵，加入1％(質(zhì)量分數(shù))氧化石墨烯，拉伸強度從40．1MPa提高到89．2MPa，楊氏模量由1．32GPa變?yōu)?．17GPa。2.1.2復合材料的電化學性能單純的導電聚合物在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性差，使得其在電容器電極材料方面的應(yīng)用受到限制，開發(fā)含有優(yōu)秀性能的復合材料成為電容器電極材料的突破口。現(xiàn)在，導電聚合物與氧化石墨烯的復合成為研究熱點，這是由于石墨烯和導電聚合物共軛構(gòu)造的導電協(xié)同作用可增強基體導電性，同時又可實現(xiàn)構(gòu)造的增強。SurajitKonwer等運用原位聚正當制備了氧化石墨烯/聚吡咯(PPy)復合材料，聚吡咯的直流電導率從1．18S／cm猛增到75.8S／cm，通過恒流充放電分析，當電流為2mA、電壓為O～0．5V時，聚吡咯的比電容僅為237．2F/g，而復合材料的比電容達成421.4F/g。高的電導率以及比電容使得此復合材料有望成為安全、高效的超級電容器電極材料。2.1.3復合材料的熱學性能氧化石墨烯加入到聚合物中能夠提高聚合物的熱穩(wěn)定性。這可能是由于氧化石墨烯的含氧基團與聚合物之間形成氫鍵或其它配位鍵，從而限制了聚合物的熱振動。因而增大了聚合物鏈分解時所需要的能量，在一定程度上提高了復合材料的熱穩(wěn)定性。王立娜等運用直接共混法制備出氧化石墨烯/酚醛樹脂納米復合材料，通過對復合材料進行熱穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，低溫時復合材料與樹脂的熱重曲線基本吻合，但是隨著溫度的升高，與純樹脂相比，復合材料的熱失重開始出現(xiàn)滯后，并且在800℃時的殘?zhí)柯时燃儤渲?％。熱穩(wěn)定性以及殘?zhí)柯实奶岣呤沟梅尤渲鳛槟突鸩牧夏芨雍玫貞?yīng)用于各個領(lǐng)域。2.1.4復合材料的結(jié)晶性能聚合物的結(jié)晶過程直接影響到其加工性能，氧化石墨烯加入到聚合物中能夠改善聚合物的結(jié)晶過程，在復合體系中起到成核劑的作用。WangHuishan等對聚乳酸(PLLA)/氧化石墨烯納米復合材料進行了非等溫和等溫冷結(jié)晶行為研究。通過不同升溫速率的DSC分析發(fā)現(xiàn)，隨著氧化石墨烯負載量的增加，PLLA的結(jié)晶峰溫向低溫范疇轉(zhuǎn)移，表明PLLA的非等溫冷結(jié)晶行為有明顯改善，并且氧化石墨烯可明顯提高PLLA結(jié)晶速率，但其結(jié)晶機理和晶體構(gòu)造保持不變。2.2無機物類氧化石墨烯復合材料無機物類氧化石墨烯復合材料的研究起步較晚，諸多制備辦法及機理的思路都借鑒于聚合物基的氧化石墨烯復合材料?，F(xiàn)在這類材料重要集中在氧化石墨烯與金屬單質(zhì)、金屬氧化物、陶瓷等材料復合的研究上。2.2.1金屬／氧化石墨烯復合材料金屬/氧化石墨烯復合材料重要是將貴金屬納米粒子負載到氧化石墨烯上，此種復合材料不僅可減少貴金屬的消耗，減少成本，并且含有比金屬本身更加優(yōu)秀的性能。氧化石墨烯能夠作為阿霉素、喜樹堿等抗癌藥品靶向傳遞的載體，而金屬離子強大的局部表面等離子共振吸取能夠作為光信號，將氧化石墨烯與金屬形成復合材料，有望在生物成像、藥品輸送、癌癥治療等方面得到應(yīng)用。WangYi等通過非共價鍵方略成功制備出金屬/氧化石墨烯雜化材料，并且該材料能直接照亮石墨烯后光學成像，在暗視野顯微鏡下能夠觀察到石墨烯的外形。銀含有廣譜抗菌性，能夠通過物理吸附或離子交換等辦法固定在多孔材料的表面制成抗菌劑。氧化石墨烯比表面積大，有很強的離子交換能力．并且本身也含有抗菌性能，將銀負載到氧化石墨烯上，有望制備出抗菌性能優(yōu)秀的新型抗菌材料。ZhangDanhui等使用明膠作為還原劑和穩(wěn)定劑在常溫下合成氧化石墨烯/納米銀抗菌材料，并研究了該材料的抗菌性能，當材料質(zhì)量分數(shù)僅為10-5時，對于大腸桿菌的克制率可達99．9％。其它研究人員也通過不同的辦法制備出此新型抗菌材料，認為該材料含有環(huán)保、高效、經(jīng)濟等諸多優(yōu)點，對哺乳動物細胞產(chǎn)生的毒性小，有望應(yīng)用于基于氧化石墨烯的生物材料。金納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)體現(xiàn)}H不同于宏觀塊狀材料的光學、電子和催化等性能，越來越受到人們的關(guān)注，通過簡樸辦法制備出單分散性好、粒徑可控的納米金顆粒始終是研究者追求的目的。HuangJie等運用2-巰基吡啶預解決的Au納米粒子與氧化石墨烯之間的非共價鍵連接，各自通過π-π疊層和其它分子的互相作用，制備了Au/氧化石墨烯復合材料。與普遍采用的HAuCl4在石墨烯表面原位還原的辦法相比，Au的粒徑可控性、粒度分布、形態(tài)等方面都有所改善。他們還考察了該復合材料的拉曼信號(SERS)和催化性能，研究成果顯示Au氧化石墨烯復合材料的SERS增強，通過比較Au與Au-氧化石墨烯在NaBH4還原1，2-苯二胺中的催化活性，得出其復合材料體現(xiàn)出更加明顯的催化活性。2.2.2金屬氧化物／氧化石墨烯復合材料石墨烯由于其獨特的電學性質(zhì)及高比面積，使得其可與諸多類型的金屬氧化物形成復合材料，有效提高材料的電催化性能和電化學儲能特性．成為一種熱點研究課題。但是石墨烯由于強大的范德華力而含有疏水性和易團聚的缺點，使得石墨烯和無機化合物特別是金屬氧化物之間不相容，很難將金屬氧化物負載到石墨烯上。因此，大家將研究重心轉(zhuǎn)移到氧化石墨烯上，它的表面因含有大量的含氧活性官能團而成為金屬氧化物抱負的支撐材料。錢國棟等將TiO2組裝到氧化石墨烯上，探究了其去除污染物的光催化活性。而胡振等則研究了此復合材料的可見光驅(qū)動光動力抗癌活性狀況，成果表明該材料含有良好的光動力抗癌活性且沒有隱性的細胞毒性?！袄铐档葘⒀趸?MnO2復合材料應(yīng)用到H2O2的非酶檢測中。該電極在堿性介質(zhì)中的H2O2檢測時顯示出高的電化學活性。此非酶生物傳感器敏捷度高、檢出限低、性能好、長久穩(wěn)定等優(yōu)點得益于氧化石墨烯的高比表面積和Mn02納米粒子的沉積，此復合材料在菲酶傳感器和能量轉(zhuǎn)換方面有良好的應(yīng)用前景。陳勝等研究了該復合材料的形成機理，并提出該材料在催化劑、吸附劑或者電子裝置的電極等方面含有潛在的應(yīng)用價值。2.2.3陶瓷／氧化石墨烯復合材料由于氧化石墨烯的多個優(yōu)秀性能，通過氧化石墨烯與陶瓷化合物的復合能夠開發(fā)出新型的功效陶瓷材料，從而擴展陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。劉佳偉等運用靜電互相作用，通過表面組裝將SiO2粒子固定在氧化石墨烯上，然后運用血紅蛋白來評價其吸附性能。當pH＝7時，該復合材料的血紅蛋白吸附效率達成85％，基于Langmuir吸附模型，該材料吸附血紅蛋白的理論能力為50.5mg/g，因此該材料有望作為吸附劑用于蛋白質(zhì)的吸附和分離。寇亮等通過正硅酸乙酯(TEOS)的原位水解，將SiO2納米粒子負載到氧化石墨烯上，并對此材料進行形態(tài)、追蹤涂層工藝以及在超親水涂料中的應(yīng)用進行分析研究，發(fā)現(xiàn)其含有良好的親水性，并且可通過簡樸的浸漬涂覆辦法，運用此材料直接在任何基板上構(gòu)建大面積的超親水表面。3展望氧化石墨烯的制備工藝相對成熟，慣用辦法為Hummers法以及改善的Hummers法，但是這些辦法