氧化石墨烯的制备及形成机理

氧化石墨烯(GO)作为一种石墨烯衍生物,结构中含有大量羟基、环氧基、羧基和羰基等含氧官能团,使其易与其他物质通过相互作用复合,从而提高和拓宽传统材料的性能及应用。GO的结构和尺寸等性质会受石墨氧化过程中制备方法、石墨来源、氧化剂种类、反应条件等因素的影响。针对GO的制备、形成机理、结构控制等方面的研究逐渐引起科研工作者的重视。该文综述近几年有关GO的制备、方法改进、制备过程中涉及到的化学反应和形成机理以及GO结构影响其宏观性能和应用的研究进展,指出确定GO的形成机理和精确控制GO的结构是制约其应用的关键,从工业化生产和可持续性发展的角度对要拓宽和实现GO的应用存在的问题及研究方向进行了总结和展望。     

分段取样法研究改进Hummers法制备GO结构特性及其机理

氧化石墨烯(GO)制备过程调控及机理研究对其性能及其功能化改性具有重要意义。本文基于改进Hummers法制备GO,采用分段取样法提取主要阶段的中间产物;利用SEM、Raman光谱以及XRD、FTIR、XPS等检测手段表征分析各阶段产物的微观形貌、结构和成分,以探究GO制备机理,并采用TEM对最终制备的GO进行形貌表征观察,探究各阶段反应对GO制备的影响规律,以实现对GO氧化程度和结构的调控。研究结果表明：在浓H₂SO₄/KMnO4混合体系中,使用单一的浓H₂SO₄无法对石墨进行插层与氧化,KMnO₄是石墨氧化的必要条件;氧化阶段会形成大量的含氧官能团,导致石墨层间距进一步扩大。GO-1到GO-5阶段,氧化石墨的C/O从7.23降到2.03,氧化石墨片层间距从原始石墨的0.344nm增加到0.815nm,研究成果为GO的进一步改性与应用提供数据及理论支持。     

氧化石墨烯/密胺树脂导电复合材料的制备与性能研究

采用的改进的Hummers法和组合剥离技术制备了氧化石墨烯(GO),并以氧化石墨烯、甲醛溶液、三聚氰胺为原料,采用原位合成技术制备石墨烯/密胺树脂导电复合材料(GO/MF)及含有水合肼的氧化石墨烯/密胺树脂复合材料(GO/MF+N_2H_4),并对其结构、热稳定性和导电性等进行研究分析。试验结果表明:GO/MF+N_2H_4试样的热稳定性最佳,氧化石墨烯的加入,提高了密胺树脂材料的导电性,且添加质量分数0.9%GO的GO/MF+N_2H_4试样出现导电临界值,体积电阻率达到1.5×10~4Ω·m,为制备具有抗静电性能和导电性能的密胺树脂新型复合材料提供一定的基础理论参考。     

氧化石墨烯(GO)在水泥基复合材料中的应用研究进展

氧化石墨烯(GO)具有二维层状结构,表面承载了多种活性含氧基团.GO不但具有粒径小、比表面积大、表面能高以及表面原子所占比例大等特点,还具有优异的导电性能、导热性能、力学以及光学性能.GO以其独特的结构和优异的性能应用在水泥基材料中可改善其性能,因此GO在水泥基材料中的应用成为当前研究的一个热点.本文总结了GO的制备、分散方法,归纳了GO对水泥基复合材料的性能影响和机理分析,阐述了当前GO在水泥基材料研究中存在的问题以及发展趋势.     

微波法制备还原氧化石墨烯及其在锂硫电池中的应用

采用改进的Hummers法制备了氧化石墨（GO）,对GO进行碳酸浸渍后,通过微波固相法剥离其为少层的还原氧化石墨烯（MRGO）。并采用低温原位化学沉积法制备微波还原氧化石墨烯/纳米硫（MRGO/NS）锂硫电池正极复合材料。通过FT-IR、XRD、SEM、TEM、BET对所制备的MRGO和MRGO/NS的微观结构、形貌等进行表征,采用恒流充放电测试和交流阻抗测试对复合材料的电化学性能进行研究。结果表明,通过微波固相法剥离碳酸浸渍后的GO所制备的MRGO为少层的折扇状还原氧化石墨烯,可为锂硫电池的硫和多硫化物提供足够的容纳空间,从而缓解穿梭效应,提高了电极材料的循环性能和倍率性能。     

氧化石墨烯膜的制备方法研究进展

氧化石墨烯(GO)作为一种新型二维材料,在能源、环境、石油化工、生物医药、光电材料、催化等领域有巨大的应用潜能。当氧化石墨烯膜用于分离时,有着与传统膜过程不同的分离机理。氧化石墨烯膜的层间距可以通过制备方法进行调节以实现离子、分子等物质的精确筛分。总结了由氧化石墨烯溶液制备氧化石墨烯膜的主要制备方法,如真空过滤法、旋涂法、浸涂法、静电自组装法等。     

超声辅助氧化石墨烯的制备

通过在中温段超声辅助的方式,采用改性悍马氧化法制备了一系列氧化石墨烯(GO),研究了超声时间、超声温度等因素对所得GO形态、结构、及性能的影响。研究结果表明:超声辅助的方法能有效促进石墨片层的剥离及深度氧化,超声温度及超声时间对GO的形态与结构均有一定影响,在无须高温水解的条件下,当超声温度为30~40℃,超声时间为3 h,即可得到氧化较为充分,分散性能好的GO材料。     

实验室快速制备氧化石墨及其过程分析

本文在传统Hummers法制备的基础上,通过优化该方法中氧化剂种类、用量、投料方式、加水方式以及后处理等多个步骤进行氧化石墨的制备.优化后实验流程简单易行,制备条件相对温和,适合于石墨烯研究中少量氧化石墨的快速制备;文章还系统介绍了氧化石墨制备过程中的反应机理、现象解释及注意事项等,有助于研究者更好地掌握氧化石墨的制备...     

氧化石墨烯的制备、结构控制与应用

石墨烯具有卓越的力学、电学、热学和阻隔性能，但疏水性、生物不相容性等缺点限制了其在诸多方面的应用。氧化石墨烯（GO）为石墨烯的衍生物，是一种新型的碳材料，边缘处具有羧酸官能团并且其表面含有羟基和环氧基团，具有良好的分散性、双亲性、生物相容性等性能，被视当代最具有发展前景的碳材料之一。本文简述了氧化石墨烯的结构模型、制备方法和官能团可控氧化石墨烯的制备，介绍了氧化石墨烯的性能和的应用进展，分析了氧化石墨烯在制备和应用方面的一些不足。最后，阐述了石墨烯未来面临的挑战以及潜在的发展前景。     

氧化石墨烯复合PVA纤维增强水泥基材料的力学性能及耐久性研究

为解决混凝土耐久性差、脆性大等问题,研究了氧化石墨烯(GO)复掺聚乙烯醇(PVA)纤维对低水灰比水泥基材料力学性能及耐久性能的影响.利用Hummers法制备GO,并表征GO的结构和性能,通过测试分析了不同配合比砂浆的力学性能和耐久性,并通过MIP(压汞法)和SEM(扫描电镜)分析了氧化石墨烯以及PVA纤维对水泥基材料的改性机理.结果表明GO和PVA纤维均能提高水泥基材料的力学性能以及耐久性.GO复掺PVA纤维可以显著改善水泥基材料孔结构,降低孔隙率,提高水泥基材料抗氯离子渗透性能并降低水泥基材料收缩率.     

氧化石墨烯分离膜的性能调控及其传质机理研究进展

氧化石墨烯（GO）作为理想的膜构筑材料,因其蜂窝状的结构特点及表面分布大量含氧基团的特性,被广泛用于水处理分离膜的构筑。GO膜具有良好的物理特性、优异的化学稳定性和独特的二维层状结构,在污水处理、脱盐和离子筛分等水处理领域备受关注。在水处理中,GO膜对有机物和离子有较好的截留效果,但也存在水通量低、稳定性差等问题。本文分析了近年来GO膜在水处理领域的研究新进展;简单总结了GO膜的制备方法和水处理应用;重点阐述了GO水处理膜分离性能优化的方法和传质机理的研究进展;最后总结并展望了GO膜在结构调控和性能提升方面的发展方向。本文为设计和制备高性能GO水处理膜提供参考。     

Facile and safe graphene preparation on solution based platform

Graphene has attracted increasing attention because of its interesting properties. In this study, graphene was prepared from graphite by a very simple and easy process. The two-step protocol involves conversion of graphite to graphene oxide (GO) by oxidation, and subsequent reduction of GO to graphene. The structures and properties of the obtained GO and graphene were characterized via X-ray diffraction, and Raman, NMR, UV–vis absorption, and X-ray photoelectron spectroscopic techniques. The morphologies of these products were observed via field emission scanning electron microscopy. The preparation protocol is simple, easy, environmental friendly, i.e., nontoxic, and the yield of graphene is high.     

石墨烯导电油墨的研究进展

石墨烯因具备着超高的电荷迁移率,近年来在导电油墨领域备受关注,它赋予了石墨烯导电油墨优异的导电性能、耐腐蚀性以及耐候性等优点。本文通过查阅文献的方式,简要介绍了导电相石墨烯的制备方法及导电油墨的导电机理,着重介绍了石墨烯导电油墨的制备工艺,其中包含氧化还原法、机械剥离法、液相剥离法等制备工艺。综述了石墨烯导电油墨在能源、电子器件、功能传感器方面的应用。提出了石墨烯导电油墨未来研究的关键性问题,如石墨烯导电油墨分散稳定性问题、配方环保问题、氧化石墨烯（GO）导电油墨的还原技术问题等。最后提出,石墨烯导电油墨应朝着低成本、绿色化、产业化的方向发展。     

Green preparation of reduced graphene oxide using a natural reducing agent

A simple and efficient method was introduced for the high-conversion preparation of graphene oxide (GO) from large graphite flakes (average flake size=100 μm) using a simplified Hummer׳s method. Natural reducing agents such as lemon juice and vinegar were compared with hydrazine (N₂H₄) as potential reducing agents. Graphene was prepared by chemical reduction of GO because this method was low cost and could be used for large-scale graphene production. This one-pot graphene preparation was performed at room temperature. Different degrees of oxidation of graphite flakes were obtained by stirring graphite in a mixture of sulfuric acid and potassium permanganate at different oxidation times, and highly exfoliated GO sheets were produced. GO was subsequently reduced effectively by lemon juice, a new, green, and potential reducing agent with pH 2.3. This reduced GO exhibited a high electrical conductance of 24.6 μS attributed to its higher C/O ratio (≈8:2) compared with other samples.     

氧化石墨烯还原方法的研究进展

石墨烯的制备对于石墨烯的理论研究和应用研究起着重要的作用,化学氧化还原法是制备石墨烯最为重要的方法之一。综述了近年来氧化石墨烯的还原剂还原法、高温热处理还原法、电化学还原法、溶剂热还原法、催化还原法、微波还原法等多种还原方法,分析了目前各种常用还原方法的优缺点,并进一步提出氧化石墨烯还原方法未来的几个研究方向：还原前后原子结构变化及还原机理研究;新型还原方法或多种还原方法联用的研究;还原氧化石墨烯和制备复合物同时进行的研究。     

The reduction of graphene oxide

Graphene has attracted great interest for its excellent mechanical, electrical, thermal and optical properties. It can be produced by micro-mechanical exfoliation of highly ordered pyrolytic graphite, epitaxial growth, chemical vapor deposition, and the reduction of graphene oxide (GO). The first three methods can produce graphene with a relatively perfect structure and excellent properties, while in comparison, GO has two important characteristics: (1) it can be produced using inexpensive graphite as raw material by cost-effective chemical methods with a high yield, and (2) it is highly hydrophilic and can form stable aqueous colloids to facilitate the assembly of macroscopic structures by simple and cheap solution processes, both of which are important to the large-scale uses of graphene. A key topic in the research and applications of GO is the reduction, which partly restores the structure and properties of graphene. Different reduction processes result in different properties of reduced GO (rGO), which in turn affect the final performance of materials or devices composed of rGO. In this contribution, we review the state-of-art status of the reduction of GO on both techniques and mechanisms. The development in this field will speed the applications of graphene.     

改进Hummers法化学合成石墨烯及其表征

以天然鳞片石墨为原料,首先采用改进的Hummers法合成氧化石墨前驱物,再将其用硼氢化钠还原制备得到石墨烯纳米材料,采用FTIR、XRD、TEM、SEM对氧化石墨和石墨烯进行了结构与形貌分析。结果表明,制备的氧化石墨的氧化程度较高,含有大量的含氧极性基团,如羟基、羧基、醚基等;石墨烯为二维纳米薄层片状结构,边缘有皱褶起伏。     

氧化石墨烯和过渡金属碳/氮化合物固定化酶

二维纳米材料具有高机械强度和比表面积、大量表面官能团、良好的亲水性及生物相容性,是固定化酶的良好载体。本文选取经典的氧化石墨烯（GO）以及新型的过渡金属碳/氮化合物（MXenes）,分别介绍了它们的制备方法和结构、物理和化学性质,综述了它们在固定化酶领域的应用研究,并进行了比较。文中指出：GO由石墨烯经化学氧化再剥离制得,MXenes由其前体经刻蚀制得,不同的氧化或刻蚀方法制得的材料在组成、结构、性能等方面存在差异。GO表面的可反应官能团更多,包括羟基、羧基和环氧基,故在固定化酶领域应用广泛。MXenes固定化酶则主要利用表面的羟基反应或负电荷吸附,目前主要用于制备生物传感器。最后指出这两种材料还存在制备效率低、纳米片易聚集、循环利用性差等问题。今后的发展方向是要开发更为简单和安全的材料制备方法,探索更为有效的插层和剥离手段以及改善固定化酶的回收策略,进一步推进二维纳米材料在固定化酶领域的应用。     

The role of microwave absorption on formation of graphene from graphite oxide

By means of manipulating the oxygen content in graphite oxides (GO) and/or graphene-based materials, we demonstrate that the microwave absorption capacity of carbon materials is highly dependent on their chemical composition and structure. The increase of oxygen in GO remarkably decreases its microwave absorption capacity due to the size decrease of the π–π conjugated structure in these materials, and vice versa. It was revealed that graphene is an excellent microwave absorbent while GO with poor microwave absorption capacity, the unoxidized graphitic region “impurities” in GO act as the microwave absorbents to initiate the microwave-induced deoxygenation. The addition of a small amount graphene to GO leads to avalanche-like deoxygenation reaction of GO under microwave irradiation (MWI) and graphene formation, which was used for electrode materials in supercapacitors. The interaction between microwaves and graphene or graphene-based materials may be used for the fabrication of a variety of graphene-based nanocomposites with exceptional properties and a wealth of practical applications.     

石墨烯化学气相沉积法可控制备的催化反应体系研究

石墨烯的化学气相沉积(CVD)法制备是一个复杂的多相催化反应过程。如何从催化反应角度理解此过程中的诸多科学问题对石墨烯的精准结构控制以及石墨烯产品的标准化和实用化至关重要。结合最新研究进展，系统分析了CVD反应体系所包含的碳源、反应气氛、催化金属及其内部碳杂质、反应中间碳物种对石墨烯生长的热、动力学以及石墨烯宏、微观结构特性(层数、质量、形状、晶畴等)的影响机制和调控策略，挖掘不同石墨烯CVD反应体系背后的共性科学规律。简介了增强型CVD技术的发展，展望和建议基元反应步骤和含碳反应中间物种对于石墨烯控制制备的重要作用，为未来无缺陷、超洁净、低成本、快速、宏量化的大面积石墨烯薄膜及特定石墨烯衍生结构的定制化制备提供参考。