时间: 2024-02-17 01:09:35 | 作者: 华体会综合体育登录
随着石墨烯制备技术的逐渐完备，为基于石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。但是，在石墨烯通往应用的道路上，还面临着另一个重要的问题，就是怎么来实现其可控功能化。
随着石墨烯制备技术的逐渐完备，为基于石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。但是，在石墨烯通往应用的道路上，还面临着另一个重要的问题，就是怎么来实现其可控功能化。
结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，易产生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难。
为了充分的发挥其优良性质,并改善其成型加工性(如提高溶解性、在基体中的分散性等)，必须对石墨烯进行相对有效的功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用领域。
从功能化的方法来看,大致上可以分为共价键功能化和非共价键功能化两种：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，能够最终靠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，可通过多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。
2006年，Stankovich等利用有机小分子实现了石墨烯的共价键功能化，他们第一步制备了氧化石墨，然后利用异氰酸酯与氧化石墨上的羧基和羟基反应，制备了一系列异氰酸酯功能化的石墨烯。
该功能化石墨烯可以在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等多种极性非质子溶剂中实现均匀分散，并能够长时间保持稳定。该方法过程简单，条件温和(室温)，功能化程度高，为石墨烯的进一步加工和应用提供了新的思路。
与此同时，Haddon等采用与碳纳米管功能化相类似的方法，利用十八胺(ODA)上的氨基与石墨烯氧化物中的羧基反应，制得长链烷基化学改性的石墨烯。该功能化石墨烯的厚度仅为0.3~0.5nm，可以溶解于四氢呋喃(THF)和四氯化碳等常用有机溶剂中。
石墨烯氧化物及其功能化衍生物具备比较好的溶解性，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可能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。
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，其导电性明显提高(1250S/m)，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。
Schaefer等人利用氧化石墨烯上含有较多的含氧官能团的这一特点，在无水乙腈中将生物活性分子多巴胺嫁接到氧化石墨烯上，从而赋予了氧化石墨烯生物活性。
为了提高石墨烯与PMMA、PS等聚合物基体的相容性，人们首先将石墨烯和PMMA或PS等的单体放在一起超声，使石墨烯上接枝上该种聚合物的小分子单体来提升石墨烯与高分子基体的相容性。
石墨烯是二维的片层结构，具有两个面，我国科学家刘忠范院士等人在石墨烯的两面上分别修饰上不同的化学物质，从而得到了两个面具有不一样性质的石墨烯，这类石墨烯由于两个面具有不一样的性质，在未来将有很广的应用前景。
采用不同的有机小分子对石墨烯进行功能化，能够得到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。他们第一步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二苯甲酰(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。
石墨烯的掺杂。目前掺杂石墨烯主要有氮掺杂、磷掺杂和硼掺杂等，其中以氮掺杂居多。石墨烯经掺杂后会表现出很多独特的性质。磷掺杂率较低，因此电催化活性比Pt/C的低，氮掺杂后氮原子能诱导更多的正电荷移动到相邻的碳原子上，从而有效的提高阴离子的交换性能和催化活性，且性能稳定。
已有研究显示，掺杂后的石墨烯具有很好的催化活性，其活性可与市售的Pt/C催化剂相媲美，这可减少贵金属Pt的使用，以此来降低催化剂的成本。
目前对的石墨烯的功能化所采用石墨烯多数为还原氧化石墨烯，因为其本身含有数量很多的含氧官能团，所以修饰起来相对较容易。
而采用液相剥离法制备的直接剥离石墨烯由于结构完整、缺陷少，石墨烯片层表面含有的官能团少，因此修饰起来就相对来说还是比较困难。
为了改善直接剥离石墨烯在水中的分散性，且不破坏石墨烯完整的结构，可有稀硝酸对直接剥离石墨烯进行适当氧化，这样获得的石墨烯不但保留了石墨烯完整的结构，还在石墨烯片层上引入少量的含氧官能团，改善了直接剥离石墨烯在水中的分散性。
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