文 献 综 述

1.前言

石墨烯（Graphene）是由独特的二维碳网络构成，只有单层原子厚，仅为1nm左右，其中，碳原子是以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格状。与其他的碳材料相似，它具有力学性能好、化学惰性、耐高温等诸多优点。自从2004年发现以来，已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。石墨烯是其他同素异形体的基本结构，包括石墨、木炭、碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）以及富勒烯^[1]。理想状态下的，单层石墨烯中的六元芳香环的电子密度相当大，能够完全阻挡分子或原子穿过石墨烯面内的六元环。高质量的石墨烯坚硬但很轻也几近透明，能够作为热和电良好的导体。石墨烯因其二维极限结构的奇特性质而广受关注，其性质比如双极晶体管效应、电子弹道传递、量子霍尔效应等。这些优异性质使得石墨烯在晶体管、太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。

图1-1 石墨烯分子结构示意图^[2]

石墨烯的氧化形式#8212;#8212;氧化石墨烯（GO）是一种单层碳原子构成二维网络结构的纳米材料。由于含氧官能团的类型及分布的不确定性，人们关于氧化石墨烯的精确化学结构已经争论了几十年，直至今天也没有一个确定的模型。现在被学术界广泛认可的氧化石墨烯模型是Lerf-Klinowski结构模型。在这个模型中，氧化石墨烯的二维碳原子网络是由sp²和sp³杂化结构碳原子共同组成，与sp³杂化结构碳原子结合的含氧基团主要是由三种官能团构成，位于氧化石墨烯面内的环氧基和羟基，以及处于氧化石墨烯边缘位置的羧基。

图1-2 Lerf-Klinowski结构模型

由于这些含氧官能团的存在，氧化石墨烯体现出一系列受人关注的性能。一方面，氧化石墨烯能够不借助任何表面活性剂和稳定剂，容易的分散在液体介质中并且能形成分散良好的胶质，这使得氧化石墨烯能够在溶液中易于控制并且更容易聚集成薄膜。另一方面，当氧化石墨烯分散在水中时，由于氧化石墨烯边缘的羧基离子化，使得这些亚微米尺寸的氧化石墨烯片层分散在水中时是高度带负电的。此外，碳原子和氧原子是以环氧基、羟基和羰基的形式连接在一起的，由于sp³杂化的C-O键所占的高比例（约40%）而引发的失真，这些官能团趋向于形成非晶区域，形成纳米级的褶皱和结构缺陷，这使得当氧化石墨烯片层聚集成膜时，为水的流动提供了基本的通道。此外，这些含氧官能团为各种各样的表面改性反应提供了许多可能性，这能够用于开发一系列分离效率显著提高的功能化氧化石墨烯基膜。