氧化石墨烯，顧名思義是石墨烯的氧化物，將活性含氧基團(tuán)引入石墨烯上，經(jīng)過處理后得到經(jīng)過修飾的石墨烯薄片，這樣就增加了活性反應(yīng)位點，使得氧化石墨烯變得更容易進(jìn)行表面改性，豐富了功能化的手段，可以有效提高改性氧化石墨烯與溶劑、聚合物的相容性，使其在有機以及無機復(fù)合材料領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用。

對于粉體材料的應(yīng)用，其前提就是能夠很好的分散在所使用的體系中，能做到單分散，這樣才可以真正發(fā)揮粉體材料的特殊性能，然而想讓石墨烯材料在水中完全的分散開來是十分困難的，因為石墨烯材料表面幾乎沒有親水基團(tuán)，但氧化石墨烯缺陷處附帶的羥基、羧基等親水集團(tuán)可以使得其在水中的分散性要優(yōu)于石墨烯。

圖1：氧化石墨烯結(jié)構(gòu)

制備方法簡介

目前國內(nèi)外主流的制備氧化石墨烯的方法是Hummers法，其制備過程可以簡單概括為：

1 向強酸（濃硫酸）和強氧化劑（高錳酸鉀）中加入石墨，反應(yīng)得到氧化石墨烯；

2 通過磁攪拌或超聲振蕩剝離得到的氧化石墨烯；

3 通過化學(xué)還原/熱還原等方法將氧化石墨烯還原得到還原的氧化石墨烯。

改性方法

1 利用氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)固定引發(fā)劑進(jìn)行ATRP(原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 Atom Transfer Radical Polymerization)功能化改性。

2 在氧化石墨烯碳骨架上固定引發(fā)劑進(jìn)行ATRP功能化改性。

3 通過ATRP聚合物與氧化石墨烯非共價鍵結(jié)合進(jìn)行功能化改性。

功能簡介

1 制備高聚物復(fù)合材料

氧化石墨烯通過功能化以后可以在溶液中進(jìn)行加工，非常適合制備高性能的聚合物符合材料。

當(dāng)然，除了制備有機復(fù)合的材料，還可以制備無機類的氧化石墨烯復(fù)合材料，比如金屬、金屬氧化物、陶瓷等材料負(fù)載到氧化石墨烯上，做出多功能的材料。

如銅/氧化石墨烯對與MB催化氧化效果的影響，從圖中很明顯可以看出復(fù)合材料對于銅氧化性能的提升。

2 制備生物醫(yī)藥

較大的表面積可以作為藥物載體，將藥物分子接枝到氧化石墨烯的活性基團(tuán)上，可以制得具有良好水溶性及生物相容性的功能化石墨烯，還可以將具有其他功能的分子接枝到氧化石墨烯上，做出具備各種功能的石墨烯，比如凈化環(huán)境，吸附水中的有毒有害物質(zhì)等，極大豐富了氧化石墨烯的應(yīng)用。

圖3：石墨烯用于遞送難溶抗癌藥物

3 防腐

氧化石墨烯同石墨烯一樣，也具有很好的防腐性能，與之不同的是氧化石墨烯因為具有了活性位點，因此也變得更容易改性，在涂料中能夠得到很好的分散。其防腐機理如下：

1.通過片層氧化石墨烯的層層組疊。雖然石墨烯是二維片層結(jié)構(gòu)，但是通過層層疊加以及有效的均勻分散之后，在產(chǎn)品表面就能形成一個立體的三維結(jié)構(gòu)，向產(chǎn)品表面投影會得到一個填充平面，起到阻隔環(huán)境中氧氣和水的作用，從而達(dá)到防腐目的。

2.氧化石墨烯具有很好的穩(wěn)定性。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫、腐蝕、高氧環(huán)境下都能保持性質(zhì)穩(wěn)定不受影響，從其制備方法中我們也不免可以看出其化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定足以對抗自然界中的腐蝕。

3.良好的導(dǎo)電特性。還原氧化石墨烯具有極好的質(zhì)子/電子導(dǎo)電性和極低的導(dǎo)電率，暢通防腐涂料中陰極保護(hù)通路，提高鋅粉利用率，從而提高防腐性能。

圖4：物理阻隔機理（每個六邊形代表一片石墨烯薄片）

二維的氧化石墨烯薄片均勻分散在涂層內(nèi)，每個薄片具有不同的取向，從而形成了三維的結(jié)構(gòu)，有效阻隔水分子及其他介質(zhì)的腐蝕滲透。

4 導(dǎo)電

首先石墨烯本身的導(dǎo)電性能就很好，常溫下電子遷移速率達(dá)到15000cm2/μm，電阻率只有10-8Ω·cm，電子在二維的蜂窩結(jié)構(gòu)中進(jìn)行跳躍式的移動，石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，因此也是具有超強導(dǎo)電的原因。雖然石墨烯經(jīng)過官能化（氧化）后，共軛網(wǎng)絡(luò)會受到破壞，導(dǎo)致氧化石墨烯具有一定的絕緣特性，不過經(jīng)過還原處理后，仍可以得到導(dǎo)電性不如原始石墨烯的還原氧化石墨烯，雖然損失了大部分導(dǎo)電性能，但是處理后的氧化石墨烯粉末可以在功能化上得到大幅度的提升，這無疑是降低了氧化石墨烯的應(yīng)用門檻，此外，可以通過后期對于氧化石墨烯添加量、分散的均勻性、與基體材料復(fù)合的程度等方面進(jìn)行控制，從而提高還原氧化石墨烯的導(dǎo)電性能，滿足現(xiàn)有防腐涂料對于導(dǎo)電性的要求，從而降低或取代金屬填料的使用！

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所已成功突破石墨烯改性防腐涂料研發(fā)及應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，處于國際領(lǐng)先水平，并成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)、石油化工、海洋工程與裝備等領(lǐng)域。

圖5：石墨烯改性防腐涂層性能測試

5 導(dǎo)熱

較高的導(dǎo)熱系數(shù)，較大的比表面積無疑為其作為導(dǎo)熱材料奠定了基礎(chǔ)，同時，還原氧化石墨烯上的活性位點提高了其使用性，穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)使得其可以在高溫下工作，對于延長產(chǎn)品的使用壽命會有很好的提升。

圖6：石墨烯導(dǎo)熱片在手機中的應(yīng)用

總結(jié)

雖然經(jīng)過不完全還原的氧化石墨烯在分散性以及功能化的構(gòu)建上相比于石墨烯具有諸多的優(yōu)勢，但是于此同時也會多多少少的引入了一些缺陷和其他的官能團(tuán)，降低了石墨烯本身的優(yōu)異的導(dǎo)電、抗腐蝕等性能，在功能與應(yīng)用之間如何取舍，是諸多研究人員必須面對的課題，希望通過研究的不斷深入，可以使得這些問題得到解決！

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