[科普中国]-氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。

结构氧化石墨烯结构图如下：

经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位，许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述，以便有利于石墨烯材料的进一步研究，虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱，核磁共振等手段对其结构进行分析，但由于种种原因(不同的制备方法，实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响)，氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。最近的理论分析表明氧化石墨烯的表面官能团并不是随机分布，而是具有高度的相关性。

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。

制备氧化石墨烯新方法已经层出不穷了，大体上分为自顶向下方法和自底向上方法两大类。前者的思路是拆分鳞片石墨等制备氧化石墨烯，以传统三方法的改进方法为代表，还包括拆分（破开）碳纳米管的方法等等。后者是用各种碳源合成的方法，具体方法五花八门，种类繁多。1

应用氧化石墨烯也显示出自身优异的物理、化学、光学、电学性质，并且由于石墨烯片层骨架的基面和边缘上有多种含氧官能团共存的结构，使得氧化石墨烯可以通过调控所含含氧官能团的种类及数量，来调制其导电性和带隙．材料应用范围很广。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。

1光电领域

2016年Karteri等人研究了具有SiO2/ GO双绝缘层的有机薄膜晶体管及其光响应特性器件， GO的加入不仅增加了绝缘层的种类和厚度，并且增强了晶体管的特性。

2太阳能电池

使用GO替代PEDOT:PSS作为聚合物太阳能电池的空穴传输层，得到相近的光电转换效率(PCE)研究了不同GO层厚度对聚合物太阳能电池PCE的影响，发现GO薄膜层厚度为2 nm时，器件光电转换效率最高。

3 柔性传感器

由于GO含有众多亲水官能团，所以易于被修饰．另外其比表面积大，分散性好，具有良好的湿敏特性，使其成为一种理想的传感器材料，尤其在柔性传感器领域有很广泛的应用。

3 生物方面

GO以独特的机械、电子、光学性质使其在生物技术、生物医学工程、纳米医学、肿瘤治疗、组织工程、药物释放、生物成像和生物分子传感等方面都发挥了巨大的作用。与其它球形或平面形纳米材料相比,GO 比表面积大、强度高、易修改、并且具有良好的生物相容性。GO及其烯衍生物的尺寸、表面电荷、层数、横向尺寸和表面化学等参数都会对生物系统产生相应的影响,因此GO 的生物安全问题使其在临床应用上造成了一定的限制,包括它们的细胞毒性、体内毒性,遗传毒性及在某些器官(如肺和肝脏)中的生物蓄积性都有待进一步研究。随着材料科学的发展,我们必将运用毒性低、生物相容性更好的材料来修饰GO,从而制备出性质稳定、结构明确、安全无毒的GO,使其作为安全有效的医用材料进入更为广阔的临床研究之中。2

本词条内容贡献者为:

王洪亮 - 副教授 - 中国农业大学