[科普中國]-氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，其顏色為棕黃色，市面上常見的產(chǎn)品有粉末狀、片狀以及溶液狀的。因經(jīng)氧化后，其上含氧官能團(tuán)增多而使性質(zhì)較石墨烯更加活潑，可經(jīng)由各種與含氧官能團(tuán)的反應(yīng)而改善本身性質(zhì)。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)物，氧化石墨烯是單一的原子層，可以隨時(shí)在橫向尺寸上擴(kuò)展到數(shù)十微米。因此，其結(jié)構(gòu)跨越了一般化學(xué)和材料科學(xué)的典型尺度。氧化石墨烯可視為一種非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料，具有聚合物、膠體、薄膜，以及兩性分子的特性。氧化石墨烯長久以來被視為親水性物質(zhì)，因?yàn)槠湓谒芯哂袃?yōu)越的分散性，但是，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氧化石墨烯實(shí)際上具有兩親性，從石墨烯薄片邊緣到中央呈現(xiàn)親水至疏水的性質(zhì)分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性劑一般存在界面，并降低界面間的能量。其親水性被廣泛認(rèn)知。

結(jié)構(gòu)氧化石墨烯結(jié)構(gòu)圖如下：

經(jīng)過氧化處理后，氧化石墨仍保持石墨的層狀結(jié)構(gòu)，但在每一層的石墨烯單片上引入了許多氧基功能團(tuán)。這些氧基功能團(tuán)的引入使得單一的石墨烯結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。鑒于氧化石墨烯在石墨烯材料領(lǐng)域中的地位，許多科學(xué)家試圖對(duì)氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)和準(zhǔn)確的描述，以便有利于石墨烯材料的進(jìn)一步研究，雖然已經(jīng)利用了計(jì)算機(jī)模擬、拉曼光譜，核磁共振等手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但由于種種原因(不同的制備方法，實(shí)驗(yàn)條件的差異以及不同的石墨來源對(duì)氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)都有一定的影響)，氧化石墨烯的精確結(jié)構(gòu)還無法得到確定。大家普遍接受的結(jié)構(gòu)模型是在氧化石墨烯單片上隨機(jī)分布著羥基和環(huán)氧基，而在單片的邊緣則引入了羧基和羰基。最近的理論分析表明氧化石墨烯的表面官能團(tuán)并不是隨機(jī)分布，而是具有高度的相關(guān)性。

工藝氧化石墨烯一般由石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化而得。主要有三種制備氧化石墨的方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制備過程的時(shí)效性相對(duì)較好而且制備過程中也比較安全，是最常用的一種。它采用濃硫酸中的高錳酸鉀與石墨粉末經(jīng)氧化反應(yīng)之后，得到棕色的在邊緣有衍生羧酸基及在平面上主要為酚羥基和環(huán)氧基團(tuán)的石墨薄片，此石墨薄片層可以經(jīng)超聲或高剪切劇烈攪拌剝離為氧化石墨烯，并在水中形成穩(wěn)定、淺棕黃色的單層氧化石墨烯懸浮液。由于共軛網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重的官能化，氧化石墨烯薄片具有絕緣的特質(zhì)。經(jīng)還原處理可進(jìn)行部分還原，得到化學(xué)修飾的石墨烯薄片。雖然最后得到的石墨烯產(chǎn)物或還原氧化石墨烯都具有較多的缺陷，導(dǎo)致其導(dǎo)電性不如原始的石墨烯，不過這個(gè)氧化?剝離?還原的制程可有效地讓不可溶的石墨粉末在水中變得可加工，提供制作還原氧化石墨烯的途徑。而且其簡易的制程及其溶液可加工性，考慮量產(chǎn)的工業(yè)制程中，上述工藝已成為制造石墨烯相關(guān)材料及組件的極具吸引力的工藝過程。

制備氧化石墨烯新方法已經(jīng)層出不窮了，大體上分為自頂向下方法和自底向上方法兩大類。前者的思路是拆分鱗片石墨等制備氧化石墨烯，以傳統(tǒng)三方法的改進(jìn)方法為代表，還包括拆分（破開）碳納米管的方法等等。后者是用各種碳源合成的方法，具體方法五花八門，種類繁多。1

應(yīng)用氧化石墨烯也顯示出自身優(yōu)異的物理、化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，并且由于石墨烯片層骨架的基面和邊緣上有多種含氧官能團(tuán)共存的結(jié)構(gòu)，使得氧化石墨烯可以通過調(diào)控所含含氧官能團(tuán)的種類及數(shù)量，來調(diào)制其導(dǎo)電性和帶隙．材料應(yīng)用范圍很廣。氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)。氧化石墨烯復(fù)合材料包括聚合物類復(fù)合材料以及無機(jī)物類復(fù)合材料更是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，因此氧化石墨烯的表面改性成為另一個(gè)研究重點(diǎn)。

1光電領(lǐng)域

2016年Karteri等人研究了具有SiO2/ GO雙絕緣層的有機(jī)薄膜晶體管及其光響應(yīng)特性器件， GO的加入不僅增加了絕緣層的種類和厚度，并且增強(qiáng)了晶體管的特性。

2太陽能電池

使用GO替代PEDOT:PSS作為聚合物太陽能電池的空穴傳輸層，得到相近的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)研究了不同GO層厚度對(duì)聚合物太陽能電池PCE的影響，發(fā)現(xiàn)GO薄膜層厚度為2 nm時(shí)，器件光電轉(zhuǎn)換效率最高。

3 柔性傳感器

由于GO含有眾多親水官能團(tuán)，所以易于被修飾．另外其比表面積大，分散性好，具有良好的濕敏特性，使其成為一種理想的傳感器材料，尤其在柔性傳感器領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。

3 生物方面

GO以獨(dú)特的機(jī)械、電子、光學(xué)性質(zhì)使其在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、納米醫(yī)學(xué)、腫瘤治療、組織工程、藥物釋放、生物成像和生物分子傳感等方面都發(fā)揮了巨大的作用。與其它球形或平面形納米材料相比,GO 比表面積大、強(qiáng)度高、易修改、并且具有良好的生物相容性。GO及其烯衍生物的尺寸、表面電荷、層數(shù)、橫向尺寸和表面化學(xué)等參數(shù)都會(huì)對(duì)生物系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的影響,因此GO 的生物安全問題使其在臨床應(yīng)用上造成了一定的限制,包括它們的細(xì)胞毒性、體內(nèi)毒性,遺傳毒性及在某些器官(如肺和肝臟)中的生物蓄積性都有待進(jìn)一步研究。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,我們必將運(yùn)用毒性低、生物相容性更好的材料來修飾GO,從而制備出性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)明確、安全無毒的GO,使其作為安全有效的醫(yī)用材料進(jìn)入更為廣闊的臨床研究之中。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王洪亮 - 副教授 - 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)