石墨烯的光化學修飾方法

石巖

（沈陽廣播電視大學，沈陽 110003）

石墨烯是人類的重要研究發現之一。石墨烯之所以得到廣泛的關注是因為該物質具有其他物質不具備的特性。很多學者通過多年研究已經發現了很多石墨烯制備的方法，這些方法對研究化學性質、用途相關方面都具有重要的價值和實用性。近年來，石墨烯的共價化學反應得到廣泛的關注，因為這種研究方法可以最大限度地豐富石墨烯的研究內涵。

1 石墨烯的光催化反應

通過化學手段，促使石墨烯的化學共價修飾，就能改變石墨烯的性能，生成一種新型的石墨烯衍生物。由于石墨烯成蜂窩狀，其性質堅固，不易改變。這種物質具有更好的性能，適合各個領域的需求。然而石墨烯成蜂窩狀的特質決定其穩定的物理性質和化學性質，一般的手段是無法改變的。

光催化是一種光化學反應，該反應的需要借助寬帶隙半導體，實現對空穴——電子對的分離，該化學反應使用的光催化劑是二氧化鈦，目前二氧化鈦成為光化學研究的重要對象。光催化的研究是在1972年開始的，美國的化學家霍丹在對二氧化鈦研究的過程中，發現了其產生光電催化的情況，從此掀開了光催化研究的浪潮。二氧化鈦是一種較為常見電網半導體，由于其自身的物理性質，決定了將其置入溶液或者暴露在空氣之中，會使其表面的電荷聚集在一起，形成雙電層。對于二氧化鈦半導體來說，與其吸附物質之間的氧化還原反應程度，決定了其光催化能力。二氧化鈦在紫外線的照射下，產生化學反應，釋放出含氧的基團。這些基團可以作為活性的中間體，進行后續的化學反應［1］。

根據光催化的反應機理，人們進行石墨烯的光催化修飾辦法。利用二氧化鈦在紫外線的照射下，產生空穴電子對的反應機理，在光催化的表面與空氣中的水分子和氧原子進行氧化還原反應，反應后的產物自由基團對石墨烯發起進攻，從而對其進行光催化氧化還原反應，對石墨烯進行修飾。該反應對石墨烯表面的基團實現氧化的修飾，從而使反應中的產物分解為小分子。對石墨烯的氧化修飾的反應時間很長，實現石墨烯的可裁剪性。人們將這種裁剪的辦法形象地稱之為光催化裁剪辦法。光催化裁剪辦法與其他的裁剪技術相比更加環保、無污染。這種光催化的裁剪技術，使光催化裁剪辦法可以切割柔性透明的全碳器件［2］。

2 石墨烯自由基反應的維度效應

對自由基反應行為展開研究，有助于理解石墨烯的化學反應。石墨烯在垂直平面的狀態下，變化的差異性使其具有多種特性，例如：光氯化的高效性、對石墨烯的無破壞性等。由于光反應產生的氯基是唯一的自由基團，所以人們對光氯化反應展開研究，旨在敲開石墨烯研究的大門。

2.1 層數效應

石墨烯的實際層數會影響其化學性質。通常化學反應中，例如：氧化反應和氫化反應，石墨烯的層數與反應的活性成反比，石墨烯的層數越高，則其在化學反應中的活性就越差。化學研究人員認為，石墨烯不同層數的不同活性主要是由于在共價反應之中存在的差異性決定。當石墨烯層數增多時，片層變硬，致使石墨烯與自由基共價發生的反應比較困難，影響了石墨烯的活性。

而雙層石墨烯的活性則是與層數成正比，如此反常的化學性能是由層數的增加，致使反應的形變勢壘的增加，連同氯自由基的共同化學反應作用的結果［3］。

2.2 堆垛效應

石墨烯大分子在垂直平面上具有兩個可變的參數，層的數量和層與層之間的位置擺放，決定了層與層之間的作用情況，從而對石墨烯的結構和性質帶來了諸多影響。在層數較少的石墨烯中，堆垛方式的應用可以用來控制石墨烯的物理性質，例如：亂垛的雙層石墨烯的低能量的色散關系是線性的，這一特性與單層石墨烯的特點相似，但反應的速度要明顯高于單層石墨烯。

當今對石墨烯的研究主要是針對堆垛反應對石墨烯物理性質的相關影響，尚未對堆垛反應與石墨烯化學性質有相關的研究。化學研究人員對堆垛反應與石墨烯化學性質的研究還存在空白，人們需要借助簡便的光氯化自由基為探針對石墨烯進行研究。單層的石墨烯氯修飾的效果較好，少層的石墨烯修飾效率相對較差，對雙層的石墨烯幾乎沒有修飾的作用，這樣就實現了對不同層數石墨烯進行修飾的作用。

3 結語

本文通以我國有關石墨烯的相關化學領域研究為基礎，進一步探討了石墨烯的光化學修飾方法。光化學修飾方法種類很多，其中最為常用的有光催化反應、自由基反應。通過以上方法完成石墨烯的光化學共價修飾，使該物質更加高效，人們對石墨烯操作的工作變得更加方便，對石墨烯的光化學修飾研究已經成為新熱點，是化學研究的重要課題。

［1］ 王藝峰，姚祥雨，熊燕飛.采用層層自組裝與光化學修飾法在聚氨酯表面固定生物多糖衍生物［J］.高分子學報，2012，10（22）:199-206.

［2］ 張謙，李景虹，宋溪明.金納米粒子——殼聚糖——石墨烯納米復合材料的制備及其在生物電化學中的應用［J］.化學學報，2012，11（21）:2213-2219.

［3］ 陳操，翟文濤，張好斌.水溶性石墨烯及其高導電率薄膜的制備與表征［J］.無機材料學報，2011，11（26）:707-710.

［4］ 崔麗莉，劉穎，葡萄.二茂鐵功能化石墨烯復合材料的制備及其電催化多巴胺性質研究［J］.長春理工大學學報(自然科學版)，2013，12（30):188-190.