石墨烯的制備功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用

石墨烯的制備功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用第一頁，共十七頁，2022年，8月28日什么是石墨烯？石墨烯的分子結(jié)構(gòu)

Themolecularstructureofgrapheme第二頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的概況2004年由NovoselovK.S.和GeimA.K.首次發(fā)現(xiàn)。由碳原子以SP2雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體。世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，厚度僅為0.35nm強(qiáng)度達(dá)130GPA，是鋼的100多倍；熱導(dǎo)率可達(dá)5000w·m-1·k-1，是金剛石的3倍；電阻率約10-6Ω·cm，比銅或銀更低。第三頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的制備機(jī)械剝離法用機(jī)械力的作用剝離出石墨烯片層。尺寸不易控制，產(chǎn)率低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。氧化還原法用強(qiáng)氧化劑在石墨層間引入含氧官能團(tuán)，通過外力剝離得到單原子厚度氧化石墨烯再進(jìn)一步還原可得石墨烯化學(xué)氣相沉積法（CVD）將過渡金屬薄片或者膜置于碳?xì)浠衔餁怏w中，過渡金屬作為催化劑，在容器中高溫使碳?xì)浠衔锪呀?，從而在基板上沉積形成石墨烯膜?！狽ovoselov.K.S和Geim.A.K用此法首次制得石墨烯?！朔ㄖ频玫氖楠?dú)立單層石墨烯片，實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單，是目前研究最多的方法?！朔椒ㄗ畲蟮膬?yōu)點(diǎn)在于可制備出面積較大的石墨烯片。第四頁，共十七頁，2022年，8月28日晶體外延伸法

先將6H-SiC表面進(jìn)行氧化或H2刻蝕預(yù)處理，再在高真空下加熱除去氧化物，最后加熱至1250℃~1450℃后恒溫1min~20min得石墨烯片層。電化學(xué)方法將兩個(gè)高純的石墨棒平行插入含有離子液體的水溶液中，控制電壓在10-20V，30min后陽極石墨棒被腐蝕，液體中的陽離子在陰極還原形成自由基，與石墨烯片中的π電子結(jié)合，形成離子液體功能化的石墨烯片，之后經(jīng)洗滌干燥得到石墨烯。——能夠制得1-2碳原子層厚的石墨烯，但難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯?！朔ㄖ苽涞氖┢瑢哟笥趩卧訉雍穸?。第五頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯的功能化為何要功能化？氧化石墨烯石墨烯表面含有大量含氧基團(tuán)溶解性提高，但導(dǎo)電性下降?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，表面呈惰性狀態(tài)。片與片之間范德華力強(qiáng)，容易產(chǎn)生聚集。難容于水以及常用有機(jī)溶劑第六頁，共十七頁，2022年，8月28日如何功能化？石墨烯的功能化共價(jià)鍵功能化非共價(jià)鍵功能化慘雜功能化第七頁，共十七頁，2022年，8月28日共價(jià)鍵功能化

由于氧化石墨烯表面含有大量羧基、羥基和環(huán)氧基團(tuán)，因而可以利用這些基團(tuán)與其他分子之間的化學(xué)反應(yīng)對(duì)石墨烯表面進(jìn)行共價(jià)鍵功能化2006年，Stankovich等利用有機(jī)小分子實(shí)現(xiàn)了石墨烯的共價(jià)鍵功能化。他們首先制備了氧化石墨，然后利用異氰酸酯與氧化石墨上的羧基和羥基反應(yīng)，制備了一系列異氰酸酯功能化的石墨烯。該功能化石墨烯可以在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等多種極性非質(zhì)子溶劑中實(shí)現(xiàn)均勻分散，并能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。第八頁，共十七頁，2022年，8月28日異氰酸酯功能化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有良好的溶解性，但由于含氧官能團(tuán)的介入，破壞了石墨烯的大π共軛結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其導(dǎo)電性及其他性能顯著降低。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日非共價(jià)鍵功能化

對(duì)石墨烯表面進(jìn)行物理吸附和聚合物包裹等，物理吸附和聚合物包裹法對(duì)石墨烯的固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)沒有破壞作用，可使結(jié)構(gòu)和性質(zhì)得到最大程度地保持。石墨烯與被修飾物之間的π-π作用以及超分子包合作用是非共價(jià)鍵功能化的主要機(jī)理。石墨烯表面進(jìn)行物理吸附和聚合物包裹π-π表面功能化石墨烯第十頁，共十七頁，2022年，8月28日非共價(jià)鍵功能化舉例表面修飾劑修飾過程與機(jī)理聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）用PPS修飾氧化石墨烯再進(jìn)行還原，PPS與石墨烯之間的非共價(jià)鍵作用阻止了石墨烯片的聚集，使該復(fù)合物在水中具有較好的溶解性。聚乙烯炔類高分子（PmPV）將膨脹石墨分散到PmPV的二氯乙烷溶液中，然后超聲得到石墨烯納米帶，利用PmPV與石墨烯之間π-π相互作用提高其分散性。芘及其衍生物利用石墨烯與芘之間的π-π相互作用，使其在水中形成穩(wěn)定的分散，并通過抽濾得到石墨烯膜。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日摻雜功能化石墨烯摻雜是實(shí)現(xiàn)石墨烯功能化的重要途徑之一，是調(diào)控石墨烯電學(xué)與光學(xué)性能的一種有效手段。第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日摻雜功能化舉例在化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的過程中通入氨氣提供氮源，可得到N摻雜的石墨烯。N摻雜石墨烯顯示出n型半導(dǎo)體導(dǎo)電特征。將氧化石墨烯片在氨氣下低溫退火后可得到N摻雜的n型石墨烯。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日功能化石墨烯的相關(guān)應(yīng)用聚合物復(fù)合材料光電功能材料與器件生物醫(yī)藥第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日石墨烯與聚合物的復(fù)合材料功能化以后的石墨烯可以采用溶液加工等常規(guī)方法進(jìn)行處理，能開發(fā)出高性能聚合物復(fù)合材料。例如：石墨烯-聚苯乙烯復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性；加入1%的功能化石墨烯，可以使聚丙烯腈的玻璃化溫度提高40

℃，大大提高了其穩(wěn)定性。光電功能材料與器件石墨烯具有大的偶極距矩和π體系等特點(diǎn)，符合非線性光學(xué)材料的特點(diǎn)，目前已經(jīng)研制出基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）等多種材料。

第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日生物醫(yī)藥應(yīng)用由于石墨烯具有單原子層，其比表面積很大，非常適合用作藥物載體。目前已