石墨烯的功能化及其相关应用

石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质．过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点．在石墨烯的研究和应用中，为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性（如分散性和溶解性等），必须对石墨烯进行功能化，研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作．但是，关于石墨烯的功能化方面的研究还处在探索阶段，对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识．如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化是我们所面临的机遇和挑战．本文重点阐述了石墨烯的共价键和非共价键功能化领域的最新进展，并对功能化石墨烯的应用作了介绍，最后对相关领域的发展趋势作了展望．  

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.  

Graphene-based electrochemical supercapacitors

Graphenes prepared by three different methods have been investigated as electrode materials in electrochemical supercapacitors. The samples prepared by exfoliation of graphitic oxide and by the transformation of nanodiamond exhibit high specific capacitance in aq. H₂SO₄, the value reaching up to 117 F/g. By using an ionic liquid, the operating voltage has been extended to 3·5 V (instead of 1 V in the case of aq. H₂SO₄), the specific capacitance and energy density being 75 F/g and 31·9 Wh kg⁻¹ respectively. This value of the energy density is one of the highest values reported to date. The performance characteristics of the graphenes which are directly related to the quality, in terms of the number of layers and the surface area, are superior to that of single-walled and multi-walled carbon nanotubes.  

石墨烯的氧化还原法制备及结构表征

采用改进的Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化处理制备氧化石墨，经超声分散，然后在水合肼的作用下加热还原制备了在水相条件下稳定分散的石墨烯。用红外光谱、拉曼光谱、扫描探针显微镜和ζ电位仪对样品进行了结构、谱学、形貌和ζ电位分析。结果表明，石墨被氧化后形成以C=O、C-OH、-COOH和C-O-C等官能团形式的共价键型石墨层间化合物；还原氧化石墨后形成的石墨烯表面的官能团与石墨的相似；氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可形成稳定的悬浮液；氧化石墨烯和石墨烯薄片厚度为1.0 nm左右。考察并讨论了还原过程中水合肼用量，体系反应温度、反应时间和pH值对石墨烯还原程度和稳定性的影响，水合肼用量和反应时间是影响石墨烯还原程度的主要因素；pH值对石墨烯稳定性影响较大。  

石墨烯-聚多巴胺纳米复合材料制备过氧化氢生物传感器

通过合成具有仿生功能的石墨烯-聚多巴胺纳米材料,将其与辣根过氧化酶组装到电极表面,以对苯二酚为电子媒介体制备H2O2传感器.此修饰电极对H2O2具有良好的电催化活性,检测的线性范围为5.0×10-7～3.3×10-4 mol/L;线性回归方程为Y=29.69x+ 0.04577,相关系数为R=0.9995;检出限为3.7×10-7 mol/L(S/N=3).  

氧化石墨烯接枝碳纤维新型增强体的制备与表征

利用“Grafting-to”化学修饰法制备氧化石墨烯接枝国产碳纤维新型增强体。利用红外光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜对样品的官能团和表面形貌进行表征；利用接触角测量、单丝拉伸方法研究了接枝前后纤维单丝的润湿性能及拉伸强度，并通过微脱粘法分析了其复合材料的界面剪切强度。结果表明：氧化石墨烯的接枝修饰使国产碳纤维表面粗糙度提高了166%，表面能提高了46.3%，拉伸强度提高了7.8%，复合材料的界面剪切强度提高了111.7%。  

石墨烯负载高活性Pd催化剂对乙醇的电催化氧化

以石墨粉为原料, 采用Hummers法液相氧化合成了氧化石墨(GO), 然后用化学一步还原制得石墨烯负载钯催化剂. X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)表征表明, Pd在石墨烯载体上有较好的分散度, 粒径为3-5 nm. 电化学活性面积(EASA)、循环伏安(CV)、计时电流(CA)和计时电位(CP)等电化学测试表明, 与传统Pd/Vulcan XC-72相比, Pd/石墨烯催化剂对碱性介质中乙醇电催化氧化的催化活性有了很大的提高.  

类石墨烯二硫化钼及其在光电子器件上的应用

由单层或几层二硫化钼构成的类石墨烯二硫化钼(graphene-like MoS₂)是一种具有类似石墨烯结构和性能的新型二维(2D)层状化合物, 近年来以其独特的物理、化学性质而成为新兴的研究热点. 本文综述了近年来类石墨烯二硫化钼常见的几种制备方法, 包括以微机械力剥离、锂离子插层和液相超声法等为主的“自上而下”的剥离法, 以及以高温热分解、水热法等为主的“自下而上”的合成法; 介绍了其常用的结构表征方法, 包括原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱等; 概述了类石墨烯二硫化钼的紫外-可见(UV-Vis)吸收、荧光发射等基本光物理性质及其相关机理; 总结了类石墨烯二硫化钼在二次电池、场效应晶体管、传感器、有机电致发光二极管和电存储等光电子器件领域的应用原理及其研究进展, 展望了这类新型二维层状化合物的研究前景.  

基于石墨烯的材料化学进展

阐述了石墨烯材料化学的最新研究进展，主要包括石墨烯的化学制备、表面修饰及基于石墨烯的复合材料。 在基于石墨烯的纳米复合材料方面，着重介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物，同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景。  

石墨烯/银复合薄膜的制备及表征

采用静电自组装技术,通过交替沉积聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)(或硝酸银)和氧化石墨烯,制备氧化石墨烯/PDDA薄膜和氧化石墨烯/硝酸银复合薄膜。然后在600℃下通入氩气和氢气进行气氛还原得到石墨烯薄膜和石墨烯/银复合薄膜。采用AFM、SEM、XPS、UV-Vis以及四探针电阻仪等对薄膜结构及性质进行表征。结果表明,通过静电自组装法可以获得生长均匀的薄膜。对比于相同自组装次数的石墨烯薄膜,石墨烯/银复合薄膜具有更好的透光性和更低的薄膜方块电阻。在λ=500 nm时,四层石墨烯/银复合薄膜的透过率为85%左右,而石墨烯薄膜的透过率为72%左右;石墨烯薄膜的方阻为161.39 kΩ.□-1,而石墨烯/银复合薄膜的方阻为99.11 kΩ.□-1。