石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性

　　摘要石墨烯和氧化石墨烯由于特殊的电子、光学、力学性能已成为当今科学研究的热点.重点综述了近年来石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性研究进展.首先介绍了石墨烯、氧化石墨烯的基本结构与性质.然后将表面功能化分为非共价键结合改性、共价键结合改性和元素掺杂改性.非共价键结合的功能化改性分为四类:π-π键相互作用、氢键作用、离子键作用以及静电作用.共价键结合的功能化改性分为四类:碳骨架功能化、羟基功能化、羧基功能化和环氧基功能化.元素掺杂改性分为N、B、P等不同元素的掺杂功能化.总结了石墨烯、氧化石墨烯基体与改性分子的相互作用和反应类型,以及改性产物的性能与应用.最后对石墨烯和氧化石墨烯在表面功能化改性方面的发展前景作了展望和预测.

　　引言

　　2010年,诺贝尔物理学奖授予了Geim和Novoselov以表彰他们在石墨烯材料方面的开创性研究.石墨烯是目前自然界发现的最薄材料,属二维结构,单层厚度仅有0.3354nm.它可以通过卷曲形成零维富勒烯、一维碳纳米管,也可平行堆彻构成三维结构的石墨.石墨烯具有优异的力学性能、热学性能和电学性能、电化学性能、大比表面积和高透明度等特殊的理化特性,使其在新型复合材料、光电材料、生物传感器、催化剂、药物传输等众多领域中有着巨大的潜在价值.

　　制备石墨烯及氧化石墨烯的方法主要有:机械剥离法、热膨胀剥离法、电化学法、气相沉积法、晶体外延生长法和氧化还原法以及其它方法.氧化石墨烯具有和石墨烯相似的平面结构,表面含有大量的活性基团,如羟基(-OH)、环氧基[-C(O)C-]、羰基(-C＝O)、羧基(-COOH)、酯基(-COO-)等.由于石墨烯自身的不溶性以及片层之间存在范德华力和π-π堆积作用,通常情况下石墨烯在水和有机溶剂中易发生不可逆的聚集和沉淀.

　　单一组分的石墨烯材料本身存在一定的局限,如电化学活性较弱,容易发生团聚,不易加工成型等,极大地限制了石墨烯的应用.因此,石墨烯和氧化石墨烯的功能化改性对拓展其应用就显得至关重要.关于石墨烯的功能化研究已经有了广泛的研究,并且已经发表了系列优秀的综述,既有侧重功能化修饰方法(物理修饰、化学修饰),也有侧重功能化产品的性能与应用.

　　对石墨烯或氧化石墨烯的功能化都是基于其本征结构进一步修饰.本文从石墨烯和石墨烯的本征结构(化学键、官能团)出发,分类介绍功能化改性方法.首先,介绍了石墨烯和氧化石墨烯的基本结构与性质,将基于表面结构特征的功能化改性分为三种情况:非共价键作用的功能化改性、共价键结合的功能化改性和元素掺杂改性.接着,对典型反应类型的反应过程和反应条件及其研究方法作了详细的归类和系统的总结.最后,对石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性作了展望.