[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，可以隨時在橫向尺寸上擴展到數(shù)十微米。因此，其結(jié)構(gòu)跨越了一般化學和材料科學的典型尺度。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)，因為其在水中具有優(yōu)越的分散性，但是，相關(guān)實驗結(jié)果顯示，氧化石墨烯實際上具有兩親性，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。這些氧基功能團的引入使得單一的石墨烯結(jié)構(gòu)變得非常復雜。鑒于氧化石墨烯在石墨烯材料領(lǐng)域中的地位，許多科學家試圖對氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)進行詳細和準確的描述，以便有利于石墨烯材料的進一步研究，雖然已經(jīng)利用了計算機模擬、拉曼光譜，核磁共振等手段對其結(jié)構(gòu)進行分析，但由于種種原因(不同的制備方法，實驗條件的差異以及不同的石墨來源對氧化石墨烯的結(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并不是隨機分布，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法的制備過程的時效性相對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)還原處理可進行部分還原，得到化學修飾的石墨烯薄片。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，導致其導電性不如原始的石墨烯，不過這個氧化?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、光學、電學性質(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)控所含含氧官能團的種類及數(shù)量，來調(diào)制其導電性和帶隙．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。氧化石墨烯復合材料包括聚合物類復合材料以及無機物類復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研究重點。

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，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，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以獨特的機械、電子、光學性質(zhì)使其在生物技術(shù)、生物醫(yī)學工程、納米醫(yī)學、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等參數(shù)都會對生物系統(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一步研究。隨著材料科學的發(fā)展,我們必將運用毒性低、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)用材料進入更為廣闊的臨床研究之中。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王洪亮 - 副教授 - 中國農(nóng)業(yè)大學