氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用ppt課件

1、氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,有機(jī)化學(xué) 熊莉 2014-12-9,1,主要內(nèi)容,背景介紹 氧化石墨烯的分子結(jié)構(gòu) 氧化石墨烯的制備方法 氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,2,一、背景介紹,2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出一層碳原子構(gòu)成的石墨烯，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯由于其突出的導(dǎo)熱性、室溫高速載流子遷移率、透光性和力學(xué)性能等，同時(shí)具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，受到了世界各界的廣泛關(guān)注，也成為科研領(lǐng)域的新興寵兒。,3,氧化石墨烯是石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化后的產(chǎn)

2、物，它是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)。氧化石墨烯復(fù)合材料包括聚合物類復(fù)合材料以及無機(jī)物類復(fù)合材料更是具有廣泛的應(yīng)用前景，因?yàn)槌蔀檠芯康挠忠恢攸c(diǎn)。,4,二、氧化石墨烯的分子結(jié)構(gòu),石墨被強(qiáng)氧化劑氧化，氧原子進(jìn)入到石墨層間，結(jié)合電子，使層面內(nèi)的二鍵斷裂，并以C=O, C-OH, -COOH等官能團(tuán)與密實(shí)的碳網(wǎng)面中的碳原子結(jié)合，形成共價(jià)鍵型石墨層間化合物。,5,三、氧化石墨烯的制備方法,1、Brodie法 1898年，Brodie采用發(fā)煙HNO3體系，以KC103為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度需先維持在0 ，然后，不斷攪拌反應(yīng)20-24h。洗滌后獲得的氧化石墨的氧化程度較低

3、，需進(jìn)行多次氧化處理以提高氧化程度，反應(yīng)時(shí)間相對較長。該法的優(yōu)點(diǎn)是其氧化程度可利用氧化時(shí)間進(jìn)行控制，合成的氧化石墨結(jié)構(gòu)比較規(guī)整。但因采用KC103作氧化劑，有一定的危險(xiǎn)性。,6,三、氧化石墨烯的制備方法,2、Staudenmaier法 采用濃H2S04體系，和發(fā)煙HN03混合酸對石墨粉處理，以KC103為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度一直維持在0。氧化程度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，可通過控制反應(yīng)時(shí)間來控制石墨烯的最終氧化程度。一般氧化程度較低，需進(jìn)行多次氧化處理，GO碳層破壞嚴(yán)重。,7,三、氧化石墨烯的制備方法,3、Hummers法 采用濃H2S04加NaN03體系，以KMnO4為氧化劑，傅玲等將反應(yīng)過

4、程可分低溫(4以下)、中溫(35左右)和高溫(98以下)反應(yīng)三個(gè)階段。該法的優(yōu)點(diǎn)是用KMnO4;代替KC103，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，減少了有毒氣體的產(chǎn)生。同時(shí)該方法所需的氧化時(shí)間較短，產(chǎn)物的氧化程度較高，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)較規(guī)整且易于在水中發(fā)生溶脹而層離。,8,9,三、氧化石墨烯的制備方法,4、其他制備方法 MatsuoY采用電化學(xué)方法，將石墨投入強(qiáng)酸中，以Hg/ HgSO4為電極，電解氧化后投入水中，干燥后得到氧化石墨烯。Daniela C. Marcano等以KMnO4和9:1(體積比)的 H2SO4/ H3PO4為氧化劑， 采用不加入NaNO3的方法也制備出氧化石墨烯，該方法提高了氧化過程的有效

5、性，所得產(chǎn)物親水性增強(qiáng)，反應(yīng)過程不產(chǎn)生有毒氣體，環(huán)境污染小，反應(yīng)溫度容易控制。Shen Jianfeng等用過氧化苯甲酰為氧化劑，快速制備出氧化石墨烯，縮短了制備時(shí)間。,10,四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,1、分析檢測領(lǐng)域 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所發(fā)現(xiàn)將氧化石墨烯應(yīng)用于PCR技術(shù)中，可顯著提高PCR的特異性、靈敏度和擴(kuò)增產(chǎn)量，并可消除擴(kuò)增中形成的引物二聚體，且優(yōu)化區(qū)間廣，可廣泛適用于各種濃度和復(fù)雜程度的DNA模板。與其他已應(yīng)用于PCR技術(shù)中的碳納米材料相比，氧化石墨烯對PCR的優(yōu)化具有更加優(yōu)異的綜合效果。 除了蛋白質(zhì)、核酸、葡萄糖等生物分子的檢測，基于氧化石墨稀的傳感器亦可被用作燃料分子的催

6、化分解以及TNT、Pb2+、Cd2+等有害化學(xué)物質(zhì)的檢測，為減少環(huán)境問題出一份力。,11,曾延波等人構(gòu)筑了基于硼酸化氧化石墨烯的分子印跡電化學(xué)傳感器，研究其對多巴胺分子的雙識別作用。,分子印跡技術(shù),12,多巴胺 多巴胺是一種神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)，可以用來幫助細(xì)胞傳送脈沖。其為擬腎上腺素藥，具有增加腎血流量、興奮心臟的功能，用于治療神經(jīng)紊亂、高血壓、支氣管哮喘、先天性心血性及感染性休克等疾病。 建立快速、準(zhǔn)確、靈敏的分析方法測定多巴胺的濃度對于生理功能研究、疾病診斷以及臨床應(yīng)用等方面均有重要的意義。,13,14,15,將分子印跡技術(shù)和硼酸化兩者相結(jié)合，在氧化石墨烯材料表面進(jìn)行硼酸類化合物的功能化，然后在

7、此材料表面進(jìn)行分子印跡，從而制備基于硼酸化的氧化石墨烯復(fù)合材料，該復(fù)合材料對多巴胺具有分子印跡和硼酸化的雙識別效果，將此復(fù)合材料作為電化學(xué)傳感探針實(shí)現(xiàn)多巴胺的雙識別檢測，從而達(dá)到高選擇性、高靈敏度地測定多巴胺。,16,四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,2、改性聚合物材料 除了電學(xué)性能優(yōu)異外, 氧化石墨烯的拉伸模量(1.01TPa)和極限強(qiáng)度( 116 GPa)與單壁碳納米管( SWd CNT ) 相當(dāng), 其質(zhì)量輕, 導(dǎo)熱性好( 3000W /(mK ) )，且比表面積大( 2600m2 /g )。與昂貴的富勒烯和碳納米管相比, 氧化石墨烯價(jià)格低廉, 原料易得, 有望成為聚合物納米復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)填料。

8、近年來, Ruoff等用化學(xué)方法相繼研制出氧化石墨烯/聚合物導(dǎo)電納米復(fù)合材料和無支撐的氧化石墨烯紙 , 掀起了氧化石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。,17,聚苯并咪唑通常作為高溫結(jié)構(gòu)膠粘劑，在航空航天中有較好的應(yīng)用前景，為了進(jìn)一步提高它的性能，有人嘗試將各種無機(jī)填料加入到聚合物中，但效果不甚理想。 Wang Yan等用溶液交換法制備出氧化石墨烯 /聚苯并咪唑復(fù)合材料。,18,19,四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,3、生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用 氧化石墨烯較高的比表面積和大范圍的共輒結(jié)構(gòu)使其在載藥方面有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。Dai等使用接枝了六臂PEG的納米級氧化石墨烯(平均尺寸50nm)負(fù)載了非水溶性的抗癌藥物SN38

9、，其在PBS中有很好的分散穩(wěn)定性，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示，載體GO-PEG即使在濃度高達(dá)100 mg/L時(shí)也無明顯的細(xì)胞毒性，而載藥體系則對癌細(xì)胞有明顯的殺傷作用，顯示其用作抗癌藥物載體的潛力。,20,張龍姣等制備了負(fù)載阿霉素的葉酸修飾的氧化石墨烯材料，并對其性能進(jìn)行研究。 葉酸,21,22,分別用FA/GO和FA/GO/DOX與Hela細(xì)胞共同培養(yǎng)，觀察細(xì)胞的形態(tài)變化。,23,四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,4、光電相關(guān)的應(yīng)用 單純的導(dǎo)電聚合物在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性差，使得其在電容器電極材料方面的應(yīng)用受到限制，開發(fā)具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料成為電容器電極材料的突破口。目前，導(dǎo)電聚合物與氧化石墨烯的復(fù)合成為研

10、究熱點(diǎn)，這是因?yàn)檠趸┖蛯?dǎo)電聚合物共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電協(xié)同作用可增強(qiáng)基體導(dǎo)電性，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。,24,Surajit Konwer等利用原位聚合法制備了氧化石墨烯/聚吡咯(PPy)復(fù)合材料。,25,四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用,5、光催化中的應(yīng)用 利用氧化石墨烯優(yōu)越的吸附性能與納米TiO2等制備出性能優(yōu)異的復(fù)合材料，從而應(yīng)用于光催化降解各種污染物。 Jiang Guodong等將TiO2 組裝到氧化石墨烯上，探究了其去除污染物的光催化活性。,26,TiO2 是一種重要的無機(jī)材料，其具有較高的折光系數(shù)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能。以TiO2 做光催化劑的非均相光催化氧化有機(jī)物技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，被廣泛地用來光解水、殺菌和制備太陽能敏化電池等。特別是在環(huán)境保護(hù)方面，TiO2作為光催化劑更是展現(xiàn)了廣闊的