氧化石墨烯的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展

張芝文 李學(xué)偉 李靜 夏帆 李遠(yuǎn)虎

摘要：由于氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團(tuán)克服了石墨烯片層極易發(fā)生堆疊、在水中的分散性非常差等缺點(diǎn)的同時(shí)使得原本較為惰性的石墨烯表面變得異常活潑，基于這些活性官能團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)也因此豐富多樣，同時(shí)其二維平面結(jié)構(gòu)也是一個(gè)理想的反應(yīng)場所。其制備方法主要有：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。在介紹氧化石墨烯的制備方法和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了氧化石墨烯在復(fù)合材料、生物醫(yī)藥、污水處理、催化等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;制備;催化

1 引言

氧化石墨烯作為一種重要的石墨烯衍生物，不但擁有石墨烯的片層狀結(jié)構(gòu)，而且表面含有豐富的羥基、環(huán)氧基、羧基等含氧官能團(tuán)[1]。由于這些極性含氧官能團(tuán)的引入，使其在水等極性溶劑中具有良好的分散性;含氧官能團(tuán)的引入破壞了石墨烯的共軛大π鍵使其導(dǎo)電性大幅下降進(jìn)而變?yōu)榻^緣體。而且，氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團(tuán)也賦予了其新的特性，例如二維表面活性（雙親性）[2]、自組裝特性（卷曲、褶皺）[3]等。

2 氧化石墨烯的制備方法

2.1 Brodie法

早在1859年，英國化學(xué)家B. C. Brodie就開始研究石墨與發(fā)煙硝酸和高氯酸鉀的反應(yīng)。Brodie發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后得到的產(chǎn)物是含有碳、氫、氧的化合物，在水中具有良好的分散性，但其在酸性溶液中分散性較差，并且通過分析發(fā)現(xiàn)其化學(xué)配比為C2.19 H0.80 O[4]。

Brodie法是最早的制備氧化石墨烯的方法，而且該方法可制得氧化程度較高的氧化石墨烯。

2.2 Staudenmaier法

L. Staudenmaier于1899年改良了Brodie的方法。該方法首先用濃硫酸和發(fā)煙硝酸的混合酸（V硝酸： V硫酸=1：4）處理石墨。

與Brodie法相同，使用發(fā)煙硝酸和氯酸鉀制備氧化石墨烯時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體（ClO2、NO2等），這些氣體既污染環(huán)境又容易引起爆炸，同時(shí)這兩種方法的反應(yīng)時(shí)間都比較長。

2.3 Hummers法

Hummers在總結(jié)前人方法的基礎(chǔ)上利用濃硫酸代替發(fā)煙硝酸，用高錳酸鉀代替氯酸鉀來氧化石墨。Hummers法在對石墨進(jìn)行氧化處理的過程中會(huì)產(chǎn)生大量重金屬離子，也會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生危害。鑒于此，Peng等[5]創(chuàng)新采用了新型氧化劑——高鐵酸鉀，反應(yīng)后生成的Fe3+還可以作為氧化劑回收，更符合環(huán)保要求。

3 氧化石墨烯的應(yīng)用

3.1復(fù)合材料

為了豐富氧化石墨烯的表面性質(zhì)和提高其在有機(jī)溶劑中的分散性，一個(gè)有效的辦法是對其進(jìn)行表面改性。Veca等[6]將氧化石墨烯表面的羧基與聚乙烯醇（PVA）上的羥基進(jìn)行反應(yīng)，制得了PVA改性的氧化石墨烯。

3.2生物醫(yī)藥

孫黃輝等[7]將氧化石墨烯、聚乙二醇和地塞米松分散于四氫呋喃中，用磷酸酯為偶聯(lián)劑制備藥物緩釋體系。用紫外分光光度計(jì)觀察不同時(shí)間下藥物的濃度變化情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯對地塞米松的釋放速率有顯著的調(diào)控作用。

3.3 污水處理

魏金枝等[8]用三乙烯四胺改性氧化石墨烯制備復(fù)合吸附劑，并將其應(yīng)用于吸附陽離子染料亞甲基藍(lán)和陰離子染料酒石黃，結(jié)果表明復(fù)合吸附劑對這兩種染料都具有較好的吸附效果。其原因主要是氧化石墨烯經(jīng)三乙烯四胺改性后形成了C-N鍵，增加了大量活性位點(diǎn)。

3.4催化劑與模板劑

Wang等[9]利用氧化石墨烯，在低溫（100℃—130℃）下催化果糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥甲基糠醛，并研究了石墨、部分還原氧化石墨烯（rGO）、硫酸等催化劑在相同條件下的催化性能，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯擁有更好的催化效果。

4 結(jié)論

目前，氧化石墨烯的制備方法日趨成熟，但這些制備方法還存在一些諸如在對石墨進(jìn)行氧化的過程中會(huì)生成大量重金屬離子、廢酸以及后處理時(shí)水資源消耗大、工業(yè)化生產(chǎn)的氧化石墨烯品質(zhì)難以保證等問題。氧化石墨烯的制備應(yīng)向著操作簡便、成本低廉、綠色環(huán)保以及易于大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)氧化石墨烯的方向發(fā)展，這樣才能使氧化石墨烯具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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