回顾：石墨烯及其衍生物的合成、性能和应用

第一作者：AndrewT.Smith，Anna MarieLaChance

通讯作者：孙陆逸

通讯单位：美国康涅狄格大学

核心内容

1. 介绍了合成石墨烯衍生物的常用方法，讨论了合成对材料关键性能的影响。

2. 介绍了具有独特性能的石墨烯纳米复合材料示例。

3. 介绍了石墨烯基纳米复合材料在分离应用，刺激响应材料，防腐涂层和能量存储方面的性能与应用。

石墨烯材料研究背景

石墨烯是一种具有蜂窝状结构的、由sp²杂化碳原子组成的二维薄片。研究表明，它具有许多理想的性能，如高机械强度、导电性、导热性等等，基于这些原因，将石墨烯引入聚合物中设计基于石墨烯的聚合物纳米复合材料，已经成为无数研究者们共同的奋斗目标。

由于石墨烯基纳米复合材料具有优异的力学、电学、热学和阻隔性能，在过去的十年中一直是科研人员研究的热点。得益于其简单的自上而下的制备方法，氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)为纳米复合材料的气阻、膜分离和刺激响应等领域的应用提供了可能性。

综述简介

有鉴于此，美国康涅狄格大学孙陆逸教授等人对石墨烯衍生物的合成、性能和应用进行了回顾。

图1. 石墨烯及其衍生物

要点1：石墨烯合成制备技术

单层石墨烯是一种理想的结构，由单原子厚度的、完全sp²杂化的碳原子组成。然而，由于石墨烯片的高度堆积性，也会产生多层石墨烯结构。因此利用自下而上的方法合成这些材料对于工业应用来说是十分困难的。然而采用自上而下的方法，却更容易生成氧化石墨烯(GO)，其中sp²和sp³杂化的碳原子都含有丰富的含氧基团，还原后(rGO)可以消除大部分含氧基团和sp³杂化的碳原子，生成性能大大改善的石墨烯衍生材料。GO和rGO都可以进一步通过自上而下的方法处理，生成GOQD和rGQD量子点。

图2. 氧化石墨烯合成方法原理图

要点2：石墨烯材料物理性能

石墨烯衍生物具有优异的机械性能、导电性和导热性。具体表现为原始单层石墨烯的杨氏模量为42Nm⁻¹,1.0TPa，rGO的杨氏模量可达到250±150TPa；石墨烯的电导率为6500Sm⁻¹，rGO的电导率提升了几个数量级，最高可达到2.98×10⁴Sm⁻¹；石墨烯已经被证明是已知材料中热导率最高的材料之一,导热率为3000 – 5000 W m⁻¹K⁻¹，rGO纳米复合材料的导热性又得到了进一步的提高，导热率增长了3 – 61Wm⁻¹K⁻¹。

图3. 石墨烯复合增强材料

要点3：石墨烯材料应用

由于氧化石墨烯的负电荷表面以及具有较大的长径比纳米片结构，使得大多数气体的渗透性较差，因此可用于天然气运输；由于其具有高的水渗透性，以及可以在水中稳定存在等优点，因此被认为是一种很有前景的水处理材料；其在纳米复合材料中光热转换效率较高，因此它已被证明是一种很好的热/光响应性材料；除此之外，该类材料还可以对其他不同种类的刺激做出相应，还可以用于防腐涂料和能量储存材料等等。

图4. 石墨烯基薄膜电极材料

小结

尽管目前该类材料的研究已经取得了重大进展，但要将GO和rGO完全应用到工业中，仍有许多问题需要解决。例如，虽然目前的合成方法对于大规模生产来说是令人欣慰的，但是对于粒子的控制和细化还需要进一步探索；虽然材料的性能可以通过各种方法得以改善，但由于工业产品需要高度的可重复性，因此均一的性能将是获得实际应用的关键。此外，本文还重点介绍了几种独特的技术，展示了GO在许多应用程序中的应用潜力。未来，在保留氧化石墨烯优异性能的前提下，通过简单的工业手段制备纳米复合材料还需要进一步的探索。

参考文献

Andrew T.Smithab, AnnaMarie LaChanceab, Songshan Zeng, Bin Liu, Luyi Sun. Synthesis, properties, andapplications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites.Nano Materials Science. 2019

DOI:10.1016/j.nanoms.2019.02.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965119300042