氧化石墨烯的制備方法、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用研究進(jìn)展

張笑娟，魏琦峰，任秀蓮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 威海 264200)

2004年Novoselov和Geim等首次發(fā)現(xiàn)了單層石墨烯并研究了其電學(xué)性能[1]。隨后，石墨烯和石墨烯衍生物受到了多個(gè)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。研究表明石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，很大的比表面積，高達(dá)2 630 m2/g，而且在電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面都具有獨(dú)特的性能[2]。石墨烯具有極好的導(dǎo)電性能，電子遷移率可以超過200 000 cm2/(v·s)；優(yōu)越的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)的室溫值可達(dá) 5 300 W/(m·K)；高的機(jī)械強(qiáng)度，楊氏模量約為 1 100 GPa。石墨烯可以通過機(jī)械剝離法、氣相沉積法、外延生長法、氧化還原法等方法制備得到[3]。通過還原氧化石墨烯制備石墨烯的方法操作方便，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

氧化石墨烯不僅可作為石墨烯制備的前驅(qū)體，而且其本身含有羥基、羰基、環(huán)氧基、羧基等含氧官能團(tuán)，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，已得到廣泛應(yīng)用。由不同方法制備以及處理得到的氧化石墨烯在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在一定的差異，可以合成得到具有不同性能的氧化石墨烯復(fù)合功能材料。目前，氧化石墨烯的精確化學(xué)結(jié)構(gòu)尚不清楚，了解物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)對于理解其性質(zhì)及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文概述了氧化石墨烯的常用制備方法，幾種令人印象深刻的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)模型，總結(jié)了氧化石墨烯的電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、分散性、還原性、功能化等物理化學(xué)性質(zhì)及其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 氧化石墨烯的制備

1.1 氧化石墨烯的制備方法

氧化石墨烯的制備方法[4]主要有Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法，都是通過強(qiáng)氧化劑在濃酸介質(zhì)中對石墨的氧化作用制備氧化石墨烯。對各種方法所使用試劑以及優(yōu)缺點(diǎn)的簡單概括見表1。Brodie法通過使用發(fā)煙HNO3和KClO3制備氧化石墨烯，Staudenmaier法通過用濃H2SO4代替約2/3的發(fā)煙HNO3改進(jìn)了Brodie法，Hummers法[5]利用濃H2SO4、NaNO3和KMnO4與石墨作用以氧化石墨。

Hummers法安全性更高、反應(yīng)較為簡單已成為應(yīng)用較為廣泛的一種方法，不過由于使用NaNO3，會產(chǎn)生有毒氣體NO2和N2O4以及濃硫酸與高錳酸鉀反應(yīng)會有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，研究人員提出了一些改進(jìn)的制備方法，例如Kovtyukhova等[6]用K2S2O8和P2O5預(yù)氧化處理石墨，之后采用Hummers法以制備氧化程度更高的氧化石墨烯；Marcano等[7]研究了將H2SO4與H3PO4混合，而且不用NaNO3制備氧化石墨烯的方法，所得材料具有更規(guī)則的結(jié)構(gòu)，保留了較多的石墨基底平面骨架，且經(jīng)化學(xué)還原后的材料與傳統(tǒng)Hummers法制備得到的氧化石墨烯還原后的材料相比具有相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性；Chen等[8]在制備過程中不使用NaNO3得到了與常規(guī)Hummers方法所制備的幾乎相同的氧化石墨烯；Peng等[9]使用強(qiáng)氧化劑K2FeO4代替KMnO4制備氧化石墨烯，能避免有污染性重金屬的引入以及制備過程中有毒氣體的產(chǎn)生，還能回收硫酸，是一種綠色、安全、高效且低成本的方法，制備得到的氧化石墨烯粉末在水和極性有機(jī)溶劑中保持良好的溶解性；Eigler等[10]通過使反應(yīng)溫度保持在0～10 ℃，且延長氧化時(shí)間以最小化反應(yīng)過程中CO2的產(chǎn)生，得到了缺陷較少的氧化石墨烯，在還原后幾乎得到完整的石墨烯。

除上述常用的方法外，還有研究人員嘗試?yán)糜袡C(jī)物作為氧化劑或者通過電化學(xué)方法[11]制備氧化石墨烯。Shen等[12]使用過氧化苯甲酰作為氧化劑，利用其較低的熔點(diǎn)，將其作為溶劑，在110 ℃進(jìn)行插層氧化反應(yīng)得到氧化石墨烯，但是過氧化苯甲酰是強(qiáng)氧化劑，在密閉容器中加熱有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。Wazir等[13]通過向石墨電極施加+10 V的直流偏壓，硫酸溶液作為電解液，電化學(xué)剝離法得到了氧化石墨烯，并通過微波將氧化石墨烯還原為石墨烯。

表1 GO的制備方法Table 1 Preparation methods of GO

1.2 氧化石墨烯的提純

在氧化過程結(jié)束后得到的氧化石墨中會存在一些離子雜質(zhì)，需要對其去除。通常使用水進(jìn)行洗滌，但由于氧化石墨烯所帶有的含氧官能團(tuán)，使其具有一定的親水性，水洗純化過程中會凝膠化，需要高速離心以及較為漫長的時(shí)間，使生產(chǎn)成本較高。有研究人員嘗試使用其他非水溶劑純化GO。

Dimiev等[14]認(rèn)為GO的結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上取決于淬滅和純化程序，他們用非水溶劑甲醇、冰醋酸、三氟乙酸、乙酸乙酯或異丙醇淬滅洗滌氧化石墨，通過XPS分析，發(fā)現(xiàn)這幾種有機(jī)溶劑淬滅洗滌未能產(chǎn)生純的GO，樣品中均含有1.2%～6.0%的硫，有些還含有來自KMnO4的Mn或K。Feicht等[15]通過在分散液中添加乙醇以及十二烷胺，再利用乙醚將有機(jī)改性的GO萃取出來，主要利用十二烷基胺與GO的靜電作用分離GO。Kim等[16]發(fā)現(xiàn)GO不會在強(qiáng)酸或丙酮中凝膠化，采用了先用鹽酸去除金屬離子，再用丙酮去除酸的洗滌過程對GO進(jìn)行純化。

2 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)模型

目前已提出多種結(jié)構(gòu)模型[17]，下面將對Lerf-Klinowski模型[18]、Szabó-Dékny模型[19]、兩組分模型[20]及動態(tài)結(jié)構(gòu)模型[21-22]進(jìn)行概述。

氧化石墨烯最被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型是Lerf-Klinowski模型，見圖1a，Lerf等[18]通過13C和1H核磁共振對GO及其衍生物進(jìn)行了表征，將δ70譜線分配給C—OH基團(tuán)，δ60譜線分配給環(huán)氧基團(tuán)，認(rèn)為對δ130峰的貢獻(xiàn)主要來自芳香基或者共軛雙鍵。提出一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，該模型的特點(diǎn)是認(rèn)為GO具有幾乎平坦的碳網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，僅與羥基相連的碳原子呈稍微扭曲的四面體構(gòu)型，從而導(dǎo)致各層起皺。GO的結(jié)構(gòu)由兩種區(qū)域組成：具有未氧化苯環(huán)的芳香族區(qū)域和包含脂肪族六元環(huán)的區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域都是隨機(jī)分布的，且其相對大小取決于氧化程度。氧化的GO區(qū)域在基面上主要包含環(huán)氧和羥基官能團(tuán)，在邊緣具有羧基。

Szabó等[19]通過分析透射電子顯微鏡、X射線衍射、漫反射紅外傅里葉變換光譜、X射線光電子能譜、核磁共振、電子自旋共振測試的結(jié)果提出S-D模型，見圖1b，表明碳骨架包括隨機(jī)分布的兩種域：反式連接的椅式環(huán)己烷，通過碳碳雙鍵連接的碳六元環(huán)的帶狀排列。在這些區(qū)域的邊界之間存在一個(gè)輕微的傾斜角，可以解釋各層起皺的現(xiàn)象。表面內(nèi)的含氧官能團(tuán)是叔羥基和位于環(huán)己烷片上下的1，3-醚，而酮和醌則可以在C—C鍵斷裂的地方形成。此外，還可能包括酚基，由此可以容易地解釋平面酸度，而無需假設(shè)GO中的烯醇和C—H鍵不穩(wěn)定。

Rourke等[20]利用了熱重分析、傅里葉紅外光譜、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、拉曼光譜等分析手段，提出兩組分模型，見圖1c，認(rèn)為GO由輕微氧化的石墨烯狀片和牢固地吸附在其上的承載大多數(shù)含氧官能團(tuán)的氧化碎片兩部分組成。氧化碎片可充當(dāng)表面活性劑以穩(wěn)定GO水懸浮液。當(dāng)所制備GO(aGO)分散液用強(qiáng)堿NaOH加熱時(shí)，氧化碎片(OD)會從石墨烯狀的薄片上剝離下來，同時(shí)生成的堿洗過的氧化石墨烯(bwGO)不易懸浮在水中并且可以導(dǎo)電。

Dimiev等[21-22]認(rèn)為GO的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模型無法充分解釋其水溶液的酸性，提出了動態(tài)結(jié)構(gòu)模型(DSM) ，見圖1d。與其他結(jié)構(gòu)模型相比較，DSM將GO視為一個(gè)系統(tǒng)，提出水會結(jié)合到GO中，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過不同的反應(yīng)離開GO。對于這個(gè)反應(yīng)，以水分子對叔醇的親核攻擊開始，導(dǎo)致C—C鍵斷裂，酮基與烯醇的形成，水合氫離子的產(chǎn)生，解釋了GO水溶液的酸化。在水溶液中，酮基可經(jīng)歷進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化，可轉(zhuǎn)化為二元醇、半縮醛。他們還認(rèn)為GO的酸性以及高的陽離子交換能力在一定程度上與有機(jī)硫酸鹽的存在有關(guān)。

圖1 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of graphene oxide a.L-K模型[18]；b.S-D模型[19]； c.兩組分模型[20]；d.動態(tài)結(jié)構(gòu)模型簡圖[21-22]

3 氧化石墨烯的性質(zhì)及應(yīng)用

3.1 機(jī)械性能

石墨烯具有優(yōu)越的機(jī)械性能，作為石墨烯的前驅(qū)體，GO也具有良好的機(jī)械性能，通常受到氧化引入的官能團(tuán)、缺陷的數(shù)量以及其他處理過程的影響[23-24]。Suk等[25]結(jié)合使用原子力顯微鏡方法和有限元分析法，得出單層GO的楊氏模量和預(yù)應(yīng)力分別為(207.6±23.4)GPa和(76.8±19.9)MPa。GO常常作為復(fù)合材料的填充劑以提高材料的機(jī)械性能。例如，Gholampour等[24]研究表明使用0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的還原氧化石墨烯(rGO)可使rGO-水泥砂漿復(fù)合材料的28 d抗拉以及抗壓強(qiáng)度與普通水泥砂漿復(fù)合材料相比分別提高45%和83.7%，其中rGO由 0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的肼對氧化石墨烯還原15 min得到。Zhang等[26]利用GO加速纖維素溶液的凝膠化，制備出復(fù)合氣凝膠，與原始纖維素氣凝膠相比其抗壓強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了約30%和90%。

3.2 電化學(xué)性質(zhì)

在GO的制備過程中，常常會破壞石墨烯的sp2結(jié)構(gòu)并引入含氧官能團(tuán)，阻隔電子遷移路徑，使得GO為絕緣體[23]。通過調(diào)控GO的氧化或還原參數(shù)可使其轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體或半金屬材料。還原后的氧化石墨烯的電導(dǎo)率可以得到較大提高，能在約 0.1 S/m 到 2.98×104S/m的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)幾個(gè)數(shù)量級[23]。經(jīng)過電阻率和程序升溫的測試，結(jié)果表明單層GO和多層GO的活化能分別為(37±1) kcal/mol和(32±4) kcal/mol[27]。GO和rGO的獨(dú)特電化學(xué)性質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)其層數(shù)、厚度、層間距、化學(xué)成分、平均尺寸等改變，目前已在電池、超級電容器以及復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。例如，Liu等[28]基于離子液體之間的協(xié)同作用機(jī)理，利用離子液體輔助水熱法合成了rGO/VS4NP復(fù)合材料，并研究其作為鋰離子電池陽極的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料作為電極具有長的循環(huán)壽命以及極好的倍率性能。

3.3 光學(xué)性質(zhì)

3.3.2 拉曼散射 拉曼光譜法用于表征分子的振動模式，是一種適用于區(qū)別測定GO、rGO和石墨烯的表征方法。GO的拉曼光譜[22]有幾個(gè)不同的特征峰，包括D峰、G峰和2D峰，分別在約 1 350，1 580 cm-1和2 680 cm-1位置出現(xiàn)。D峰源于一種包括聲子的二階效應(yīng)和sp2石墨化結(jié)構(gòu)的缺陷，常用來衡量無序性程度。G峰對應(yīng)于來自E2g模式的單個(gè)聲子參與的石墨材料的一階拉曼散射，相關(guān)模式涉及sp2碳上的平面內(nèi)光學(xué)振動的雙重簡并。2D峰源于具有相反的動量聲子參與的雙聲子過程，且與石墨烯層的數(shù)量有關(guān)。

3.3.3 光致發(fā)光 由于GO中含氧官能團(tuán)的存在及其氧化還原性質(zhì)，GO具有可調(diào)帶隙，光致發(fā)光性能。有研究檢測到GO的溶液以及固態(tài)薄膜在紅外以及近紅外，600～1 100 nm的波長范圍內(nèi)的低能熒光[32]，經(jīng)化學(xué)氧化的GO在綠色到紅外光譜區(qū)，500～800 nm的熒光發(fā)射[33]，以及在350～450 nm波長范圍的藍(lán)色光致發(fā)光[34]。氧化石墨烯的熒光性能可以通過控制其還原程度進(jìn)行調(diào)控[32，34]，另外，pH對GO的光致發(fā)光也有較大的影響。例如，Eda等[34]用肼蒸氣對GO薄膜進(jìn)行還原，較短時(shí)間暴露在肼蒸氣下，GO的熒光強(qiáng)度有顯著的增加，而在大于3 min之后，趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變，較長時(shí)間還原后熒光信號甚至?xí)淮銣?。關(guān)于GO的藍(lán)色熒光發(fā)射機(jī)制，Eda等提出是由氧化誘導(dǎo)的sp3結(jié)構(gòu)所形成的微觀sp2石墨化區(qū)域內(nèi)的電子-空穴重組所引起的。Exarhos等[35]提出紅色熒光的發(fā)射涉及發(fā)射態(tài)之間的光譜遷移。還有研究認(rèn)為光致發(fā)光的原因與周圍的官能團(tuán)、非氧化區(qū)域的作用有關(guān)[36]。

3.3.4 熒光猝滅 GO還具有極好的熒光淬滅能力，據(jù)估計(jì)，石墨烯的淬滅能力約為103，即使在 30 nm 的距離，仍能通過GO進(jìn)行熒光淬滅[37]。研究表明，GO的熒光淬滅性能源于GO和熒光分子之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移或兩者之間的非輻射偶極-偶極耦合作用[38]。除了熒光淬滅能力，良好的生物相容性和較大的比表面積，使GO成為基于熒光共振轉(zhuǎn)移的熒光生物傳感器中的納米淬滅劑。GO的淬滅能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)有機(jī)淬滅劑[37]。GO的光致發(fā)光及熒光淬滅性質(zhì)使其可以用于光子器件、生物傳感器和生物成像[37，39]等方向。

3.4 熱學(xué)性質(zhì)

石墨晶格的氧化使得GO具有較低的熱導(dǎo)率 0.5～1 W/(m·K)，經(jīng)過還原可以提高其熱導(dǎo)率[23，39]。Balandin等[39]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)達(dá)1 000 ℃高溫退火之后，GO平面內(nèi)的熱導(dǎo)率從3 W/(m·K)增加到61 W/(m·K)，且經(jīng)理論分析表明，隨著sp2域尺寸的增加以及氧含量的進(jìn)一步降低，熱導(dǎo)率可高達(dá)約500 W/(m·K)。由于GO與rGO獨(dú)特的熱學(xué)性質(zhì)，將GO或rGO摻入聚合物中不僅可以使納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率顯著提高[40]，而且作為填料時(shí)還可提高材料的隔熱、阻燃性能。例如，Guo等[40]利用Ag/rGO納米粒子與聚酰胺聚合制備納米復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及耐熱指數(shù)均隨著Ag/rGO填料含量的增加而增加。當(dāng)Ag/rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，相應(yīng)的納米復(fù)合材料的最大熱導(dǎo)率為2.12 W/(m·K)，約為純聚酰胺的8倍。Yu等[41]研究發(fā)現(xiàn)將P-N阻燃劑包裹的rGO摻入到環(huán)氧樹脂中，可使納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性得到改善，與純環(huán)氧樹脂相比，功能化還原氧化石墨烯的存在將峰值放熱率以及總放熱值分別降低了43.0%和30.2%，表明了材料耐火性的顯著提高。

GO在加熱時(shí)會發(fā)生分解，從而放出H2O、CO和CO2氣體[14，42]，在一定溫度下還可以實(shí)現(xiàn)GO的熱還原。利用熱重分析、質(zhì)譜分析以及XRD等表征方法，可以對GO的熱分解過程進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)從室溫到約130 ℃主要是發(fā)生附著在GO上的水的去除，使GO層緊密靠近并堆積，不過GO的重量變化不大；在約150 ℃時(shí)，GO的還原開始發(fā)生，質(zhì)量損失較大，層堆積結(jié)構(gòu)被破壞；在約220 ℃，大多數(shù)GO片膨脹；隨著溫度增加，在460 ℃以后，沒有明顯層間距的變化；在約500 ℃，由于sp2碳結(jié)構(gòu)的恢復(fù)使層間距離可非常接近天然石墨的層疊區(qū)域[42]。

3.5 分散性

GO在水中具有較強(qiáng)的膠體穩(wěn)定性，常被認(rèn)為是親水材料，而Kim等[43]經(jīng)過研究GO在空氣-水、液-液以及液-固界面的活性，認(rèn)為GO是具有親水性邊緣和疏水性基面的兩親性物質(zhì)。GO片層的邊緣主要是羧基，由于其離子化，氧化石墨烯會容易分散在水中，表現(xiàn)為親水性；而未氧化的苯環(huán)構(gòu)成的多環(huán)芳烴區(qū)域使GO表現(xiàn)為疏水性。GO的兩親性在一定程度上會受到pH以及GO片層尺寸大小的影響。

氧化石墨烯在溶液中的分散性對于其進(jìn)一步的修飾過程以及儲存應(yīng)用十分重要，Paredes等[44]研究發(fā)現(xiàn)，GO能分散在N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氫呋喃和乙二醇中。在這些極性溶劑中，通過超聲處理可完全剝落石墨氧化物材料為單層或?qū)訑?shù)極少的GO。GO分散體具有長期穩(wěn)定性，類似于氧化石墨烯分散在水里，有助于將石墨烯基材料用于不同的應(yīng)用。

有研究發(fā)現(xiàn)，GO在水和有機(jī)溶劑分散體中能形成溶致液晶相，表面帶負(fù)電GO片層間的靜電斥力以及GO薄片極大的寬高比等因素對于穩(wěn)定有序液晶相的形成有關(guān)[45]。GO優(yōu)異的力學(xué)性能，能還原為石墨烯的性質(zhì)以及形成有序取向液晶相的能力，使其在制造高度有序、高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性材料方面具有廣闊前景[45]。

3.6 化學(xué)還原反應(yīng)

將石墨化學(xué)氧化為GO，然后進(jìn)行還原，是大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯或rGO的常用方法。將GO還原為rGO常用的還原劑有肼、羥胺、硼氫化鈉、氫化鋰鋁、鋅和鋁粉、對苯二酚、氫碘酸，除此之外還有用維生素C、檸檬酸鈉、焦培酸、果糖、葡萄糖、氨基酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、植物提取物、微生物等作為還原劑的研究。其中目前應(yīng)用最為廣泛的還原劑是肼，因?yàn)槠淇梢允箁GO在很大程度上具有類似于原始石墨烯的電學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，但是存在成本高、毒性較大的缺點(diǎn)。除了利用還原劑化學(xué)還原GO的方法外還有高溫?zé)崽幚硎笹O脫氧、溶劑熱還原、電化學(xué)還原、光還原、微波輔助還原等方法[39，46-47]。

對GO進(jìn)行熱處理能獲得具有類似于原始石墨烯片的結(jié)構(gòu)和電性能的rGO。熱處理會使GO上的含氧官能團(tuán)脫除，基面上碳碳鍵斷裂，放出CO2、CO、H2O，造成rGO基面的結(jié)構(gòu)缺陷。對于納米電子應(yīng)用，常采用熱處理使GO脫氧，還原溫度的選擇主要取決于rGO的最終用途[47]。利用高壓釜水熱還原GO，不僅能部分移除GO上的含氧官能團(tuán)，還能恢復(fù)碳晶格上的芳香結(jié)構(gòu)，還可使用N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等作為溶劑對GO進(jìn)行熱還原，能產(chǎn)生穩(wěn)定的rGO薄片分散體，具有一定的應(yīng)用價(jià)值[48]。電化學(xué)還原是生產(chǎn)rGO的一種環(huán)保、高效的方法，可直接在電極基材上生產(chǎn)rGO，在生物傳感器、超級電容器、電催化等方面會有很好的應(yīng)用[49]。GO的光還原可通過激光、等離子、照相機(jī)閃光燈或光熱還原進(jìn)行，還可與無機(jī)催化劑組合產(chǎn)生光催化還原作用，在有機(jī)分子存在下作為光化學(xué)還原方法。光還原方法通常需要相對昂貴的設(shè)備和特殊條件，但是在極短的反應(yīng)時(shí)間以及低的化學(xué)消耗方面具有一定優(yōu)勢[47]。微波可輔助化學(xué)方法以及熱處理方法還原GO，微波能促進(jìn)高溫下的短時(shí)間反應(yīng)，不僅有利于獲得高質(zhì)量的rGO，而且在制備高質(zhì)量、先進(jìn)性能的納米材料、導(dǎo)電材料方面具有廣闊的前景[46]。每種方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需要還可以選擇多步驟還原方法。

3.7 功能化

GO表面含有羥基、環(huán)氧基、羰基、羧基等基團(tuán)，易于修飾，通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控和功能組裝，能夠克服石墨烯及GO在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，增強(qiáng)其優(yōu)異性能，并且賦予其新的功能特性。目前，對GO進(jìn)行功能化改性的方法主要有共價(jià)鍵功能化、非共價(jià)鍵功能化等。非共價(jià)鍵功能化主要是利用功能分子與GO間的范德華力、靜電作用、π-π相互作用、氫鍵等作用力進(jìn)行修飾，而共價(jià)鍵功能化主要利用GO表面的含氧官能團(tuán)和芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，與功能分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行修飾，化學(xué)反應(yīng)包括酯化反應(yīng)、硅烷化反應(yīng)、Williamson反應(yīng)和Claisen重排反應(yīng)等[38]。功能分子常常是具有特定功能的有機(jī)小分子或者聚合物。GO的功能化材料可用于廢水處理、電化學(xué)和生物傳感器、鋰離子電池、催化等領(lǐng)域[38]。例如，Carpio等[50]通過硅烷化反應(yīng)用乙二胺三乙酸功能化GO得到GO-EDTA，研究發(fā)現(xiàn)該材料具有作為多功能材料的能力，不僅可以有效吸附重金屬離子Cu2+、Pb2+，且具有良好的抗菌性能。

4 結(jié)束語

GO的制備純化工藝以及結(jié)構(gòu)已得到廣泛研究，但是對于大規(guī)模合成GO的氧化程度可控、環(huán)保、高效的工藝路線仍需進(jìn)一步探索，而且GO的精確結(jié)構(gòu)尚無定論。將GO還原為rGO可使其結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)接近石墨烯，并能在多種領(lǐng)域得到應(yīng)用，考慮到rGO合成方法的可擴(kuò)展性和成本效益，選擇一種快速、高效、易于實(shí)施、低污染，可以產(chǎn)生膠體穩(wěn)定的rGO分散體的方法至關(guān)重要。GO具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，含氧官能團(tuán)以及芳環(huán)的存在使其能被一些有機(jī)小分子以及聚合物通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵功能化，以增強(qiáng)并拓寬材料的性能，隨著研究的不斷深入，GO將實(shí)現(xiàn)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。