氧化石墨烯及其復合材料的應用研究進展

摘" " " 要：氧化石墨烯（GO）作為重要的石墨烯衍生物，具有高比表面積、良好的親水性、良好的表面活性和生物兼容性，是當今材料界最具有發展前景的材料之一。綜述了現階段GO及其衍生物在環境、催化、生物醫藥、防腐、聚合物阻燃、CO2捕集、混凝土增強增韌，以及包裝等領域的應用研究進展，指出開發綠色、低成本的GO及其復合材料的可控制備技術、深入探究GO及其復合材料的構效關系是未來研究的重點。

關" 鍵" 詞：氧化石墨烯；應用；制備技術

中圖分類號：TQ424；TU521.5" " "文獻標志碼： A" " "文章編號：1004-0935（2025）01-0142-04

氧化石墨烯（GO）作為最重要的石墨烯衍生物，其片層表面和邊緣上有大量的—COOH、O—C—O、—OH等含氧官能團[1-2]。這些含氧官能團既賦予了GO極好的親水性，使之可以在水中形成穩定的分散液，又在一定程度上賦予其以反應活性。在石墨烯復合材料的形成過程中，這些含氧官能團既可以作為無機納米顆粒形成核位點，又可以充當高分子材料的作用位點，因而GO是制備石墨烯基復合材料的絕佳物質。GO獨特的理化性質使其在諸多領域具有廣泛應用前景[3-4]。對GO在環境、催化、能源、生物醫藥、防腐、聚合物阻燃、CO2捕集、混凝土增強增韌以及包裝等領域的應用進行了綜述，最后對GO應用前景進行了展望。

1" 氧化石墨烯的應用研究現狀

1.1" GO在環境領域的應用

GO及其復合材料作為重要的新型吸附材料，其表面豐富的含氧官能團使其可以通過靜電作用與重金屬離子發生螯合作用，進而將重金屬離子去除。GAO等[5]制備了一系列表面含氧基團含量不同的氧化石墨烯納米薄片（GONFs），并將所制備的GONFs用于Th（Ⅳ）的吸附過程，同時發現GONFs對Th（Ⅳ）的高吸附能力源自含氧官能團及其相鄰的sp2碳原子。HAN等[6]采用分子動力學模擬的方法研究了靜磁場對GO吸附Hg2+性能的影響。該研究發現，靜電場的存在會降低Hg2+周圍配位水數，增加Hg2+與GO之間的靜電引力，降低Hg2+在接近GO過程中的能壘，從而提高GO對Hg2+的吸附活性。

GO及其復合材料可基于GO表面π-π共軛作用、疏水作用、范德瓦爾斯力、路易斯酸堿等作用對各類有機污染物產生吸附作用。Soudagar等[7]以GO為吸附劑，去除合成廢水中的亞甲基藍染料，研究結果表明GO對亞甲基藍的最大吸附量高達429.485 mg·g-1。Yan等[8]將GO用于吸附除草劑氯硝唑及其代謝產物，研究結果表明GO對氯硝唑的最大吸附量為67 mg·g-1，并確定氯硝唑與GO的主要作用是疏水作用和氫鍵。

1.2" GO在催化領域的應用

GO被認為是碳催化劑的重要來源，其本身就是一種溫和的碳催化劑，并具有良好的循環使用性。SARAVANA等[9]直接以GO作為Bronsted酸催化劑，在溫和的條件下通過三組分Mannich反應合成了β-氨基酮。PATEL等[10]以GO為催化劑，將其用于羧酸與胺的直接酰胺化反應過程。SingHA等[11]以芳香胺、醛和巴比妥酸為原料，在GO的催化下通過一步三組分反應合成嘧啶[4，5-b]喹啉酮-2，4-二酮。其中以水作為溶劑時，目標產物的產率高達91%。WABAIDUR等[12]合成了一種二維sp2雜化碳基材料GO。該無金屬環境友好型碳催化劑在無毒廉價的羰基源尿素存在下，可成功地用于醇類合成伯氨基甲酸酯。

GO在催化領域除了可以直接作為催化劑使用外，更多是作為催化劑的載體。THALGASPITIYA等[13]設計制備了Mo摻雜TiO2/rGO高效多相酸催化劑。該復合材料對環己酮在室溫下30 min內縮醛反應具有良好的催化活性（其中TOF為1.6 h-1，GC的收率為99%，選擇性為99%）。HUANG等[14]設計制備了CoxPdy@rGO復合催化劑，并發現在該催化材料中Co和Pd之間存在協同作用，rGO可以有效地防止合金納米顆粒聚集并使其保持良好的分散性。RAWAT等[15]等制備的GO/Au-Fe3O4復合材料在4-硝基苯酚催化還原生成4-硝基苯胺的過程中準一級反應動力學常數為0.261 1 s-1，高于同類材料。

1.3" GO在生物醫藥領域的應用

2008年，LIU等[16]率先證明了聚乙二醇功能化氧化石墨烯（NGO）可以作為一種新型藥物納米載體，通過非共價物理吸附抗癌藥物，具有體外細胞攝取能力。BAO等[17]使用殼聚糖功能化氧化石墨烯（CS-GO）作為納米載體，分別將水不溶性抗癌藥物（CPT）和質粒DNA（pDNA）傳遞到人類癌細胞系。pH響應的CS-GO具有優越的結合CPT的效率，其負載含量接近20%（質量分數），在PBS緩沖液中37 ℃下72 h釋放7.5%的CPT。但當前利用石墨烯基納米載體進行體內外基因傳遞的研究還有待探索，同時對于GO及其衍生物的生物相容性、毒性和生物降解方法也有待研究。

1.4" GO在防腐領域的應用

GO具有優異的物理阻隔性、分散性和高化學穩定性，是較為理想的防腐材料之一。JIANG等[18]將不同長寬比的GO與環氧樹脂進行復合制備了GO/環氧樹脂水性復合防腐涂層，發現長寬比高的GO薄片可以使腐蝕介質的滲透路徑曲折程度增加，從而表現出更好的耐腐蝕性能。CHEN等[19]通過簡單浸漬和后續固化處理的方法，在銅表面成功地制備了具有優異防腐性和耐久性的超疏水硅烷/GO復合涂層。結果表明，與裸銅基底相比，陰極和陽極反應均受到抑制，腐蝕電流密度降低了2個數量級以上。目前對于GO復合材料空間結構排列問題仍需深入研究，同時還需解決表面化學問題，以克服防腐涂層與金屬表面的界面黏附問題。

1.5" GO在聚合物阻燃領域的應用

GO因其優異的物理阻隔性和可膨脹性還可以作為高分子聚合物的阻燃劑提高高分子的阻燃性。JI等[20]將離子液體功能化的氧化石墨烯（ILGO）和傳統阻燃劑（聚磷酸銨和可膨脹石墨）復配添加到不飽和聚酯樹脂（UPR）中，發現含ILGO的UPR-4的LOI值達到28.2%，超過了UL-94的V-0， UPR-4的初始溫度、最大降解溫度和殘余碳顯著升高。WANG等[21]合成了一種新型的聚硅氧烷阻燃劑（PMDA），將其共價接枝到GO表面得到GO-PMDA，并與環氧樹脂進行復合。結果表明，與GO相比，GO-PMDA能顯著提高EP的熱穩定性和阻燃性。但由于石墨烯和GO材料強烈的π-π堆疊和范德瓦耳斯力相互作用可能會導致其收縮、堆疊使得表面積減小，合成的阻燃材料效果變差。GO本身的分解溫度低，自身容易燃燒，因此極大地限制了在阻燃領域的應用。

1.6" GO在 CO2捕集領域的應用

RODRíGUEZ-GARCíA等[22]制備了聚苯胺（PANI）/GO復合材料（PANI-GO）和Fe3O4/GO復合材料（Fe3O4-GO），結果表明，上述材料對CO2吸附為可逆物理吸附機制，CO2吸附量隨微孔體積線性增加。所制備的材料具有良好的CO2/N2選擇性、可循環性和快速吸附動力學，且其對CO2吸附性能的差異與氧化石墨烯薄片的化學成分和尺寸有關。CHOWDHURY等[23]首次對TiO2/GO吸附CO2進行了系統研究，室溫下CO2吸附劑吸附率為1.88 mmol·g-1，遠高于其他常用吸附劑。但GO材料在CO2捕集領域仍然面臨著快速動力學、對煙道氣其他成分的穩定性、從廉價來源生產等一系列的挑戰。

1.7" GO在混凝土增強增韌領域的應用

呂生華等[24]通過研究發現GO具有模板效應，可使水泥中形成致密、形狀規整的針狀結晶體，水泥的斷面結構致密，大孔隙明顯減少，水泥砂漿的抗折強度顯著提高。曾紀軍等[25]通過研究發現，添加了GO的混凝土的微觀結構更加致密、緊湊有序，但GO材料在不同劑量下水泥復合材料存在顯著的生長速率不一致性，因此有必要進行更詳細的研究，以控制GO劑量的一致。與此同時，在健康和環保、降低成本方面仍然面臨著許多挑戰。

1.8" GO在包裝領域的應用

GO獨特的片層結構，可以很大程度上延長水蒸氣、氧氣、二氧化碳等小分子氣體的傳播路徑，改善復合材料的阻隔性能，摻入GO的復合材料可以被用于食品包裝領域。研究發現GO的加入可以將GO/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）復合材料的氫氣滲透率降低62%，將GO/聚乙烯醇復合材料（PVA）的氧氣滲透率降低54.77%[26-27]，氫氣滲透率降低95%[28]。石墨烯的導電性、導熱性和機械強度均很好[29]，但在包裝技術行業的應用中，仍存在著一些限制，主要體現在目前對于GO的細胞毒性和生物降解性尚未完全明確，因此缺乏足夠的風險評估和安全研究。

2" 結束語

盡管GO及其復合材料目前已經在環境、催化、生物醫藥、防腐、聚合物阻燃、CO2捕集、混凝土增強增韌以及包裝等領域得到了廣泛的應用。但是，受材料的制備工藝、制備成本等因素的限制，GO及其復合材料的應用研究還處于初級探索階段，對于目標材料的可控制備技術尚不成熟，目標材料的構效關系尚不明確，這一系列問題導致GO及其復合材料的應用尚無法走向工業化。因此，開發綠色、低成本的GO及其復合材料的可控制備技術、深入探究GO及其復合材料的構效關系在未來一段時間內仍然是廣大科研工作者的研究重點。

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Research Progress in Application of Graphene Oxide

LU Chong1， HAN Xingwei1， GUO Shuai1， PAN Huiying2， GAO Xue1， WANG Sijia1， ZOU Haojun1， DU Lingtao1

（1. School of Environmental and Chemical Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2. Liaoshen Industrial Group Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110045， China）

Abstract： Graphene oxide， as an important graphene derivative， has high specific surface area， good hydrophilicity， good surface activity and biocompatibility， and is one of the most promising materials in today's materials industry. In this paper， the current application and development of graphene oxide and its derivatives in the fields of environment， catalysis， biomedicine， anticorrosion， polymer flame retardant， CO2 capture， concrete toughening and packaging were reviewed. It was pointed out that the development of green and low-cost controllable preparation technology of GO and its composites， and in-depth exploration of the structure-activity relationship of GO and its composites should be the focus of future research.

Key words：" Graphene oxide; Application; Preparation technology