氧化石墨烯的制備及其應用研究進展

張芝文 李學偉 李靜 夏帆 李遠虎

摘要：由于氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團克服了石墨烯片層極易發生堆疊、在水中的分散性非常差等缺點的同時使得原本較為惰性的石墨烯表面變得異?；顫姡谶@些活性官能團的化學反應也因此豐富多樣，同時其二維平面結構也是一個理想的反應場所。其制備方法主要有：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。在介紹氧化石墨烯的制備方法和特點的基礎上，綜述了氧化石墨烯在復合材料、生物醫藥、污水處理、催化等領域的應用研究。

關鍵詞：氧化石墨烯;制備;催化

1 引言

氧化石墨烯作為一種重要的石墨烯衍生物，不但擁有石墨烯的片層狀結構，而且表面含有豐富的羥基、環氧基、羧基等含氧官能團[1]。由于這些極性含氧官能團的引入，使其在水等極性溶劑中具有良好的分散性;含氧官能團的引入破壞了石墨烯的共軛大π鍵使其導電性大幅下降進而變為絕緣體。而且，氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團也賦予了其新的特性，例如二維表面活性（雙親性）[2]、自組裝特性（卷曲、褶皺）[3]等。

2 氧化石墨烯的制備方法

2.1 Brodie法

早在1859年，英國化學家B. C. Brodie就開始研究石墨與發煙硝酸和高氯酸鉀的反應。Brodie發現反應后得到的產物是含有碳、氫、氧的化合物，在水中具有良好的分散性，但其在酸性溶液中分散性較差，并且通過分析發現其化學配比為C2.19 H0.80 O[4]。

Brodie法是最早的制備氧化石墨烯的方法，而且該方法可制得氧化程度較高的氧化石墨烯。

2.2 Staudenmaier法

L. Staudenmaier于1899年改良了Brodie的方法。該方法首先用濃硫酸和發煙硝酸的混合酸（V硝酸： V硫酸=1：4）處理石墨。

與Brodie法相同，使用發煙硝酸和氯酸鉀制備氧化石墨烯時，會產生大量有毒有害氣體（ClO2、NO2等），這些氣體既污染環境又容易引起爆炸，同時這兩種方法的反應時間都比較長。

2.3 Hummers法

Hummers在總結前人方法的基礎上利用濃硫酸代替發煙硝酸，用高錳酸鉀代替氯酸鉀來氧化石墨。Hummers法在對石墨進行氧化處理的過程中會產生大量重金屬離子，也會對環境產生危害。鑒于此，Peng等[5]創新采用了新型氧化劑——高鐵酸鉀，反應后生成的Fe3+還可以作為氧化劑回收，更符合環保要求。

3 氧化石墨烯的應用

3.1復合材料

為了豐富氧化石墨烯的表面性質和提高其在有機溶劑中的分散性，一個有效的辦法是對其進行表面改性。Veca等[6]將氧化石墨烯表面的羧基與聚乙烯醇（PVA）上的羥基進行反應，制得了PVA改性的氧化石墨烯。

3.2生物醫藥

孫黃輝等[7]將氧化石墨烯、聚乙二醇和地塞米松分散于四氫呋喃中，用磷酸酯為偶聯劑制備藥物緩釋體系。用紫外分光光度計觀察不同時間下藥物的濃度變化情況時，發現氧化石墨烯對地塞米松的釋放速率有顯著的調控作用。

3.3 污水處理

魏金枝等[8]用三乙烯四胺改性氧化石墨烯制備復合吸附劑，并將其應用于吸附陽離子染料亞甲基藍和陰離子染料酒石黃，結果表明復合吸附劑對這兩種染料都具有較好的吸附效果。其原因主要是氧化石墨烯經三乙烯四胺改性后形成了C-N鍵，增加了大量活性位點。

3.4催化劑與模板劑

Wang等[9]利用氧化石墨烯，在低溫（100℃—130℃）下催化果糖轉變為5-羥甲基糠醛，并研究了石墨、部分還原氧化石墨烯（rGO）、硫酸等催化劑在相同條件下的催化性能，發現氧化石墨烯擁有更好的催化效果。

4 結論

目前，氧化石墨烯的制備方法日趨成熟，但這些制備方法還存在一些諸如在對石墨進行氧化的過程中會生成大量重金屬離子、廢酸以及后處理時水資源消耗大、工業化生產的氧化石墨烯品質難以保證等問題。氧化石墨烯的制備應向著操作簡便、成本低廉、綠色環保以及易于大規模生產高品質氧化石墨烯的方向發展，這樣才能使氧化石墨烯具有更廣闊的應用前景。

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