科普化学丨氧化石墨烯

氧化石墨烯，顾名思义是石墨烯的氧化物，将活性含氧基团引入石墨烯上，经过处理后得到经过修饰的石墨烯薄片，这样就增加了活性反应位点，使得氧化石墨烯变得更容易进行表面改性，丰富了功能化的手段，可以有效提高改性氧化石墨烯与溶剂、聚合物的相容性，使其在有机以及无机复合材料领域有着更为广阔的应用。

对于粉体材料的应用，其前提就是能够很好的分散在所使用的体系中，能做到单分散，这样才可以真正发挥粉体材料的特殊性能，然而想让石墨烯材料在水中完全的分散开来是十分困难的，因为石墨烯材料表面几乎没有亲水基团，但氧化石墨烯缺陷处附带的羟基、羧基等亲水集团可以使得其在水中的分散性要优于石墨烯。

图1：氧化石墨烯结构

制备方法简介

目前国内外主流的制备氧化石墨烯的方法是Hummers法，其制备过程可以简单概括为：

1 向强酸（浓硫酸）和强氧化剂（高锰酸钾）中加入石墨，反应得到氧化石墨烯；

2 通过磁搅拌或超声振荡剥离得到的氧化石墨烯；

3 通过化学还原/热还原等方法将氧化石墨烯还原得到还原的氧化石墨烯。

改性方法

1 利用氧化石墨烯表面的含氧官能团固定引发剂进行ATRP(原子转移自由基聚合 Atom Transfer Radical Polymerization)功能化改性。

2 在氧化石墨烯碳骨架上固定引发剂进行ATRP功能化改性。

3 通过ATRP聚合物与氧化石墨烯非共价键结合进行功能化改性。

功能简介

1 制备高聚物复合材料

氧化石墨烯通过功能化以后可以在溶液中进行加工，非常适合制备高性能的聚合物符合材料。

当然，除了制备有机复合的材料，还可以制备无机类的氧化石墨烯复合材料，比如金属、金属氧化物、陶瓷等材料负载到氧化石墨烯上，做出多功能的材料。

如铜/氧化石墨烯对与MB催化氧化效果的影响，从图中很明显可以看出复合材料对于铜氧化性能的提升。

2 制备生物医药

较大的表面积可以作为药物载体，将药物分子接枝到氧化石墨烯的活性基团上，可以制得具有良好水溶性及生物相容性的功能化石墨烯，还可以将具有其他功能的分子接枝到氧化石墨烯上，做出具备各种功能的石墨烯，比如净化环境，吸附水中的有毒有害物质等，极大丰富了氧化石墨烯的应用。

图3：石墨烯用于递送难溶抗癌药物

3 防腐

氧化石墨烯同石墨烯一样，也具有很好的防腐性能，与之不同的是氧化石墨烯因为具有了活性位点，因此也变得更容易改性，在涂料中能够得到很好的分散。其防腐机理如下：

1.通过片层氧化石墨烯的层层组叠。虽然石墨烯是二维片层结构，但是通过层层叠加以及有效的均匀分散之后，在产品表面就能形成一个立体的三维结构，向产品表面投影会得到一个填充平面，起到阻隔环境中氧气和水的作用，从而达到防腐目的。

2.氧化石墨烯具有很好的稳定性。其化学性质稳定，在高温、腐蚀、高氧环境下都能保持性质稳定不受影响，从其制备方法中我们也不免可以看出其化学性质的稳定足以对抗自然界中的腐蚀。

3.良好的导电特性。还原氧化石墨烯具有极好的质子/电子导电性和极低的导电率，畅通防腐涂料中阴极保护通路，提高锌粉利用率，从而提高防腐性能。

图4：物理阻隔机理（每个六边形代表一片石墨烯薄片）

二维的氧化石墨烯薄片均匀分散在涂层内，每个薄片具有不同的取向，从而形成了三维的结构，有效阻隔水分子及其他介质的腐蚀渗透。

4 导电

首先石墨烯本身的导电性能就很好，常温下电子迁移速率达到15000cm2/μm，电阻率只有10-8Ω·cm，电子在二维的蜂窝结构中进行跳跃式的移动，石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，因此也是具有超强导电的原因。虽然石墨烯经过官能化（氧化）后，共轭网络会受到破坏，导致氧化石墨烯具有一定的绝缘特性，不过经过还原处理后，仍可以得到导电性不如原始石墨烯的还原氧化石墨烯，虽然损失了大部分导电性能，但是处理后的氧化石墨烯粉末可以在功能化上得到大幅度的提升，这无疑是降低了氧化石墨烯的应用门槛，此外，可以通过后期对于氧化石墨烯添加量、分散的均匀性、与基体材料复合的程度等方面进行控制，从而提高还原氧化石墨烯的导电性能，满足现有防腐涂料对于导电性的要求，从而降低或取代金属填料的使用！

中国科学院宁波材料技术与工程研究所已成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的技术瓶颈，处于国际领先水平，并成功应用于国家电网、石油化工、海洋工程与装备等领域。

图5：石墨烯改性防腐涂层性能测试

5 导热

较高的导热系数，较大的比表面积无疑为其作为导热材料奠定了基础，同时，还原氧化石墨烯上的活性位点提高了其使用性，稳定的共轭结构使得其可以在高温下工作，对于延长产品的使用寿命会有很好的提升。

图6：石墨烯导热片在手机中的应用

总结

虽然经过不完全还原的氧化石墨烯在分散性以及功能化的构建上相比于石墨烯具有诸多的优势，但是于此同时也会多多少少的引入了一些缺陷和其他的官能团，降低了石墨烯本身的优异的导电、抗腐蚀等性能，在功能与应用之间如何取舍，是诸多研究人员必须面对的课题，希望通过研究的不断深入，可以使得这些问题得到解决！

参考文献：

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