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石墨烯的相关应用 本人看的这篇文献题目是：石墨烯的功能化及其相关应用。这篇论文发表在中国科学B辑上。这篇文献主要介绍了引言，石墨烯的共价键功能化，石墨烯的非共价键功能化，功能化石墨烯的相关应用。石墨烯的有机小分子功能化，石墨烯的聚合物功能化，基于共价键功能化的石墨烯杂化材料。石墨烯的共轭键功能化，石墨烯的离子键功能化，石墨烯的氢键功能化。聚合物复合材料，光电功能材料与器件，生物医药应用，结语及展望。 一、引言 碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料, 它可以形成世界上最硬的金刚石, 也可以形成最软的石墨. 近20 年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985 年发现的富勒烯[1]和1991 年发现的碳纳米管[2]均引起了巨大的研究热潮. 2004年, 英国科学家发现了由碳原子以sp2 杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯 Graphene [3], 其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 图1 , 是目前最理想的二维纳米材料. 石墨烯的发现, 充实了碳材料家族, 形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系, 为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的增点.2004 年至今, 关于石墨烯的研究成果已在SCI 检索期刊上发表了超过2000 篇论文,石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点[4~8]. 图1 石墨烯的基本结构示意图[4] 目前, 石墨烯的功能化研究才刚刚开始, 从功能化的方法来看, 主要分为共价键功能化和非共价键功能化两种. 本文将重点介绍石墨烯功能化的主要进展及其相关应用, 并对今后的研究方向进行了展望。 二、石墨烯的共价键功能化 石墨烯的共价键功能化是目前研究最为广泛的功能化方法. 尽管石墨烯的主体部分由稳定的六元环构成, 但其边沿及缺陷部位具有较高的反应活性, 可以通过化学氧化的方法制备石墨烯氧化物 Grapheneoxide . 由于石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团, 可以利用多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。 石墨烯的有机小分子功能化 石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有较好的溶解性, 但由于含氧官能团的引入, 破坏了石墨烯的大π共轭结构，使其导电性及其他性能显著降低. 为了在功能化的同时尽量保持石墨烯的本征性质, Samulski 等发展了一种新的功能化方法. 他们以石墨烯氧化物为原料, 首先采用硼氢化钠还原, 然后磺化, 最后再用肼还原的方法, 得到了磺酸基功能化的石墨烯[20]. 该方法通过还原除去了石墨烯氧化物中的多数含氧官能团, 很大程度上恢复了石墨烯的共轭结构, 其导电性显著提高 1250 S/m , 并且, 由于在石墨烯表面引入磺酸基, 使其可溶于水, 便于进一步的研究及应用. 石墨烯的聚合物功能化 采用不同的有机小分子对石墨烯进行功能化,可以获得具有水溶性或有机可溶的石墨烯. 在此基础上, Ye 等采用共聚的方法制备了两亲性聚合物功能化的石墨烯[21]. 如图3 所示, 他们首先采用化学氧化和超声剥离的手段, 制备了石墨烯氧化物, 然后用硼氢化钠还原, 获得了结构相对完整的石墨烯, 接下来,在自由基引发剂过氧化苯甲酰 BPO 作用下, 采用苯乙烯和丙烯酰胺与石墨烯进行化学共聚, 获得了聚苯乙烯-聚丙烯酰胺 PS-PAM 嵌段共聚物改性的石墨烯. 由于聚苯乙烯和聚丙烯酰胺分别在非极性溶剂和极性溶剂中具有较好的溶解性, 使得石墨烯既能溶解于水, 也能溶解于二甲苯. 该方法进一步改善了石墨烯的溶解性, 并且, PS-PAM 功能化的石墨烯作为添加物, 可以在多种聚合物中均匀分散, 使其在聚合物复合材料等领域有很好的应用前景. 基于共价键功能化的石墨烯杂化材料 Chen 等制备了四氧化三铁 Fe3O4 共价键功能化的石墨烯杂化材料[25]. 首先用石墨烯氧化物与稀的氢氧化钠溶液反应, 将石墨烯上的羧基变成羧酸钠;然后与六水合氯化铁和四水合氯化亚铁进行离子交换反应, 获得石墨烯羧酸铁盐; 最后在碱性条件下水解, 制备了四氧化三铁-石墨烯的杂化材料. 通过深入分析, 证明了四氧化三铁颗粒通过与羧基的共价作用连接到了石墨烯表面, 由于羧基的定位作用, 削弱了四氧化三铁颗粒的团聚, 其尺寸主要分布在2~4nm 之间. 该杂化材料具有较好的溶解性, 为其进一步的研究和应用提供了有利条件。 三、石墨烯的非共价键功能化 石墨烯的离子键功能化 Li 等研究了离子键功能化石墨烯的分散状态及其电荷排斥作用[31]. 作者指出, 石墨烯氧化物之所以能够溶解于水, 是由于其表面负电荷相互排斥, 形成了稳定的胶体溶液, 而不仅仅是因为其含氧官能团的亲水性. 他们利用这一发现, 通过控制还原, 在除去石墨烯氧化物的羟基、环氧