氧化石墨烯

石墨向石墨烯转变过程中的一类衍生物
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氧化石墨烯（英文：Graphene Oxide，简称：GO），是石墨向石墨烯转变过程中的一类衍生物[1]，即石墨氧化后经过超声剥离、分散和粉碎后得到的片层状物质[5]，于1859年由牛津大学化学家本杰明·布罗迪（Benjamin Brodie）发现[3]。
氧化石墨烯属于单原子层厚度的二维结构纳米材料[6]，由sp2、sp3杂化的碳原子共同组成 ，其结构中存在羟基 、羧基和环氧基等多种含氧亲水性官能团 ，在水介质中具有良好的分散性[7]。制备氧化石墨烯的方法主要有氧化法、溶剂剥离法、化学气相沉积法、微机械剥离法、金属表面外延法等，其中最为简便、成本较低、能够实现大规模生产的制备方法为氧化法。氧化法分为Staudenmaier法、Brodie法、Hummers法、Offeman法等[8]。
由于具有制备成本低、成膜性好、比表面积大、易官能化等特点[6]，氧化石墨烯在储能、电池、光催化、生物医学、传感器、水处理等领域具有较为广阔的应用前景[1][6]，并广泛应用于改性聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯[zhǐ]、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯等发泡材料[9]。

工艺

氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得。主要有三种制备氧化石墨的方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制备过程的时效性相对较好而且制备过程中也比较安全，是目前最常用的一种。它采用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到棕色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，此石墨薄片层可以经超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯，并在水中形成稳定、浅棕黄色的单层氧化石墨烯悬浮液。由于共轭网络受到严重的官能化，氧化石墨烯薄片具有绝缘的特质。经还原处理可进行部分还原，得到化学修饰的石墨烯薄片。虽然最后得到的石墨烯产物或还原氧化石墨烯都具有较多的缺陷，导致其导电性不如原始的石墨烯，不过这个氧化−剥离−还原的制程可有效地让不可溶的石墨粉末在水中变得可加工，提供制作还原氧化石墨烯的途径。而且其简易的制程及其溶液可加工性，考虑量产的工业制程中，上述工艺已成为制造石墨烯相关材料及组件的极具吸引力的工艺过程。