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氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 主要內(nèi)容 背景介紹 氧化石墨烯的分子結(jié)構(gòu) 氧化石墨烯的制備方法 氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 一、背景介紹 2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出一層碳原子構(gòu)成的石墨烯，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。 石墨烯由于其突出的導(dǎo)熱性、室溫高速載流子遷移率、透光性和力學(xué)性能等，同時具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，受到了世界各界的廣泛關(guān)注，也成為科研領(lǐng)域的新興寵兒。 氧化石墨烯是石墨粉末經(jīng)化學(xué)氧化后的產(chǎn)物，它是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)。氧化石墨烯復(fù)合材料包括聚合物類復(fù)合材料以及無機(jī)物類復(fù)合材料更是具有廣泛的應(yīng)用前景，因為成為研究的又一重點。 二、氧化石墨烯的分子結(jié)構(gòu) 石墨被強(qiáng)氧化劑氧化，氧原子進(jìn)入到石墨層間，結(jié)合л電子，使層面內(nèi)的二鍵斷裂，并以C=O， C-OH， -COOH等官能團(tuán)與密實的碳網(wǎng)面中的碳原子結(jié)合，形成共價鍵型石墨層間化合物。 三、氧化石墨烯的制備方法 1、Brodie法 1898年，Brodie采用發(fā)煙HNO3體系，以KC103為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度需先維持在0 ℃，然后，不斷攪拌反應(yīng)20-24h。洗滌后獲得的氧化石墨的氧化程度較低，需進(jìn)行多次氧化處理以提高氧化程度，反應(yīng)時間相對較長。該法的優(yōu)點是其氧化程度可利用氧化時間進(jìn)行控制，合成的氧化石墨結(jié)構(gòu)比較規(guī)整。但因采用KC103作氧化劑，有一定的危險性。 三、氧化石墨烯的制備方法 2、Staudenmaier法 采用濃H2S04體系，和發(fā)煙HN03混合酸對石墨粉處理，以KC103為氧化劑，反應(yīng)體系的溫度一直維持在0℃。氧化程度隨反應(yīng)時間的增加而增加，可通過控制反應(yīng)時間來控制石墨烯的最終氧化程度。一般氧化程度較低，需進(jìn)行多次氧化處理，GO碳層破壞嚴(yán)重。 三、氧化石墨烯的制備方法 3、Hummers法 采用濃H2S04加NaN03體系，以KMnO4為氧化劑，傅玲等將反應(yīng)過程可分低溫((4℃以下)、中溫(35℃左右)和高溫((98℃以下)反應(yīng)三個階段。該法的優(yōu)點是用KMnO4;代替KC103，提高了實驗的安全性，減少了有毒氣體的產(chǎn)生。同時該方法所需的氧化時間較短，產(chǎn)物的氧化程度較高，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)較規(guī)整且易于在水中發(fā)生溶脹而層離。 三、氧化石墨烯的制備方法 4、其他制備方法 MatsuoY采用電化學(xué)方法，將石墨投入強(qiáng)酸中，以Hg/ HgSO4為電極，電解氧化后投入水中，干燥后得到氧化石墨烯。Daniela C. Marcano等以KMnO4和9:1(體積比)的 H2SO4/ H3PO4為氧化劑， 采用不加入NaNO3的方法也制備出氧化石墨烯，該方法提高了氧化過程的有效性，所得產(chǎn)物親水性增強(qiáng)，反應(yīng)過程不產(chǎn)生有毒氣體，環(huán)境污染小，反應(yīng)溫度容易控制。Shen Jianfeng等用過氧化苯甲酰為氧化劑，快速制備出氧化石墨烯，縮短了制備時間。 四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 1、分析檢測領(lǐng)域 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所發(fā)現(xiàn)將氧化石墨烯應(yīng)用于PCR技術(shù)中，可顯著提高PCR的特異性、靈敏度和擴(kuò)增產(chǎn)量，并可消除擴(kuò)增中形成的引物二聚體，且優(yōu)化區(qū)間廣，可廣泛適用于各種濃度和復(fù)雜程度的DNA模板。與其他已應(yīng)用于PCR技術(shù)中的碳納米材料相比，氧化石墨烯對PCR的優(yōu)化具有更加優(yōu)異的綜合效果。 除了蛋白質(zhì)、核酸、葡萄糖等生物分子的檢測，基于氧化石墨稀的傳感器亦可被用作燃料分子的催化分解以及TNT、Pb2+、Cd2+等有害化學(xué)物質(zhì)的檢測，為減少環(huán)境問題出一份力。 曾延波等人構(gòu)筑了基于硼酸化氧化石墨烯的分子印跡電化學(xué)傳感器，研究其對多巴胺分子的雙識別作用。 多巴胺 多巴胺是一種神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)，可以用來幫助細(xì)胞傳送脈沖。其為擬腎上腺素藥，具有增加腎血流量、興奮心臟的功能，用于治療神經(jīng)紊亂、高血壓、支氣管哮喘、先天性心血性及感染性休克等疾病。 建立快速、準(zhǔn)確、靈敏的分析方法測定多巴胺的濃度對于生理功能研究、疾病診斷以及臨床應(yīng)用等方面均有重要的意義。 將分子印跡技術(shù)和硼酸化兩者相結(jié)合，在氧化石墨烯材料表面進(jìn)行硼酸類化合物的功能化，然后在此材料表面進(jìn)行分子印跡，從而制備基于硼酸化的氧化石墨烯復(fù)合材料，該復(fù)合材料對多巴胺具有分子印跡和硼酸化的雙識別效果，將此復(fù)合材料作為電化學(xué)傳感探針實現(xiàn)多巴胺的雙識別檢測，從而達(dá)到高選擇性、高靈敏度地測定多巴胺。 四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 2、改性聚合物材料 除了電學(xué)性能優(yōu)異外， 氧化石墨烯的拉伸模量(1.01TPa)和極限強(qiáng)度( 116 GPa)與單壁碳納米管( SWd CNT ) 相當(dāng)， 其質(zhì)量輕， 導(dǎo)熱性好( ~ 3000W /(m•K ) )，且比表面積大( 2600m2 /g )。與昂貴的富勒烯和碳納米管相比， 氧化石墨烯價格低廉， 原料易得， 有望成為聚合物納米復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)填料。近年來， Ruoff等用化學(xué)方法相繼研制出氧化石墨烯/聚合物導(dǎo)電納米復(fù)合材料和無支撐的氧化石墨烯紙 ， 掀起了氧化石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。 聚苯并咪唑通常作為高溫結(jié)構(gòu)膠粘劑，在航空航天中有較好的應(yīng)用前景，為了進(jìn)一步提高它的性能，有人嘗試將各種無機(jī)填料加入到聚合物中，但效果不甚理想。 Wang Yan等用溶液交換法制備出氧化石墨烯 /聚苯并咪唑復(fù)合材料。 四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 3、生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用 氧化石墨烯較高的比表面積和大范圍的共輒結(jié)構(gòu)使其在載藥方面有一定的潛在應(yīng)用價值。Dai等使用接枝了六臂PEG的納米級氧化石墨烯(平均尺寸<50nm)負(fù)載了非水溶性的抗癌藥物SN38，其在PBS中有很好的分散穩(wěn)定性，體外細(xì)胞實驗顯示，載體GO-PEG即使在濃度高達(dá)100 mg/L時也無明顯的細(xì)胞毒性，而載藥體系則對癌細(xì)胞有明顯的殺傷作用，顯示其用作抗癌藥物載體的潛力。 張龍姣等制備了負(fù)載阿霉素的葉酸修飾的氧化石墨烯材料，并對其性能進(jìn)行研究。 葉酸 分別用FA/GO和FA/GO/DOX與Hela細(xì)胞共同培養(yǎng)，觀察細(xì)胞的形態(tài)變化。 四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 4、光電相關(guān)的應(yīng)用 單純的導(dǎo)電聚合物在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性差，使得其在電容器電極材料方面的應(yīng)用受到限制，開發(fā)具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料成為電容器電極材料的突破口。目前，導(dǎo)電聚合物與氧化石墨烯的復(fù)合成為研究熱點，這是因為氧化石墨烯和導(dǎo)電聚合物共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電協(xié)同作用可增強(qiáng)基體導(dǎo)電性，同時又可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。 Surajit Konwer等利用原位聚合法制備了氧化石墨烯/聚吡咯(PPy)復(fù)合材料。 四、氧化石墨烯的性質(zhì)和應(yīng)用 5、光催化中的應(yīng)用 利用氧化石墨烯優(yōu)越的吸附性能與納米TiO2等制備出性能優(yōu)異的復(fù)合材料，從而應(yīng)用于光催化降解各種污染物。 Jiang Guodong等將TiO2 組裝到氧化石墨烯上，探究了其去除污染物的光催化活性。 TiO2 是一種重要的無機(jī)材料，其具有較高的折光系數(shù)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能。以TiO2 做光催化劑的非均相光催化氧化有機(jī)物技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，被廣泛地用來光解水、殺菌和制備太陽能敏化電池等。特別是在環(huán)境保護(hù)方面，TiO2作為光催化劑更是展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。 總結(jié) 氧化石墨烯因表面含有大量含氧官能團(tuán)，使得碳層帶負(fù)電荷，這樣帶正電荷的陽離子很容易進(jìn)入層間 并把層間距撐大，為聚合物和無機(jī)納米粒子的負(fù)載提供有利條件。對氧化石墨烯表面進(jìn)行改性，使其能更好地與基體材料形成復(fù)合材料，在能源、電子、生物醫(yī)藥、催化等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值。 謝謝觀賞！YKZ紅軟基地

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