氧化石墨烯的制备及其应用研究进展

张芝文 李学伟 李静 夏帆 李远虎

摘要：由于氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团克服了石墨烯片层极易发生堆叠、在水中的分散性非常差等缺点的同时使得原本较为惰性的石墨烯表面变得异常活泼，基于这些活性官能团的化学反应也因此丰富多样，同时其二维平面结构也是一个理想的反应场所。其制备方法主要有：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。在介绍氧化石墨烯的制备方法和特点的基础上，综述了氧化石墨烯在复合材料、生物医药、污水处理、催化等领域的应用研究。

关键词：氧化石墨烯;制备;催化

1 引言

氧化石墨烯作为一种重要的石墨烯衍生物，不但拥有石墨烯的片层状结构，而且表面含有丰富的羟基、环氧基、羧基等含氧官能团[1]。由于这些极性含氧官能团的引入，使其在水等极性溶剂中具有良好的分散性;含氧官能团的引入破坏了石墨烯的共轭大π键使其导电性大幅下降进而变为绝缘体。而且，氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团也赋予了其新的特性，例如二维表面活性（双亲性）[2]、自组装特性（卷曲、褶皱）[3]等。

2 氧化石墨烯的制备方法

2.1 Brodie法

早在1859年，英国化学家B. C. Brodie就开始研究石墨与发烟硝酸和高氯酸钾的反应。Brodie发现反应后得到的产物是含有碳、氢、氧的化合物，在水中具有良好的分散性，但其在酸性溶液中分散性较差，并且通过分析发现其化学配比为C2.19 H0.80 O[4]。

Brodie法是最早的制备氧化石墨烯的方法，而且该方法可制得氧化程度较高的氧化石墨烯。

2.2 Staudenmaier法

L. Staudenmaier于1899年改良了Brodie的方法。该方法首先用浓硫酸和发烟硝酸的混合酸（V硝酸： V硫酸=1：4）处理石墨。

与Brodie法相同，使用发烟硝酸和氯酸钾制备氧化石墨烯时，会产生大量有毒有害气体（ClO2、NO2等），这些气体既污染环境又容易引起爆炸，同时这两种方法的反应时间都比较长。

2.3 Hummers法

Hummers在总结前人方法的基础上利用浓硫酸代替发烟硝酸，用高锰酸钾代替氯酸钾来氧化石墨。Hummers法在对石墨进行氧化处理的过程中会产生大量重金属离子，也会对环境产生危害。鉴于此，Peng等[5]创新采用了新型氧化剂——高铁酸钾，反应后生成的Fe3+还可以作为氧化剂回收，更符合环保要求。

3 氧化石墨烯的应用

3.1复合材料

为了丰富氧化石墨烯的表面性质和提高其在有机溶剂中的分散性，一个有效的办法是对其进行表面改性。Veca等[6]将氧化石墨烯表面的羧基与聚乙烯醇（PVA）上的羟基进行反应，制得了PVA改性的氧化石墨烯。

3.2生物医药

孙黄辉等[7]将氧化石墨烯、聚乙二醇和地塞米松分散于四氢呋喃中，用磷酸酯为偶联剂制备药物缓释体系。用紫外分光光度计观察不同时间下药物的浓度变化情况时，发现氧化石墨烯对地塞米松的释放速率有显著的调控作用。

3.3 污水处理

魏金枝等[8]用三乙烯四胺改性氧化石墨烯制备复合吸附剂，并将其应用于吸附阳离子染料亚甲基蓝和阴离子染料酒石黄，结果表明复合吸附剂对这两种染料都具有较好的吸附效果。其原因主要是氧化石墨烯经三乙烯四胺改性后形成了C-N键，增加了大量活性位点。

3.4催化剂与模板剂

Wang等[9]利用氧化石墨烯，在低温（100℃—130℃）下催化果糖转变为5-羟甲基糠醛，并研究了石墨、部分还原氧化石墨烯（rGO）、硫酸等催化剂在相同条件下的催化性能，发现氧化石墨烯拥有更好的催化效果。

4 结论

目前，氧化石墨烯的制备方法日趋成熟，但这些制备方法还存在一些诸如在对石墨进行氧化的过程中会生成大量重金属离子、废酸以及后处理时水资源消耗大、工业化生产的氧化石墨烯品质难以保证等问题。氧化石墨烯的制备应向着操作简便、成本低廉、绿色环保以及易于大规模生产高品质氧化石墨烯的方向发展，这样才能使氧化石墨烯具有更广阔的应用前景。

参考文献：

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[6] Veca L M， Lu F， Meziani M J， et al. Polymer functionalization and solubilization of carbon nanosheets[J]. Chemical Communications， 2009 （18）： 2565-2567.

[7] 孫黄辉， 徐志珍， 夏玮， 等. 氧化石墨烯复合磷酸酯交联弹性体的制备及其用于药物缓释的研究[J]. 华东理工大学学报： 自然科学版， 2016， 42（4）： 513-520.

[8] 魏金枝， 陈芳妮， 孙晓君， 等. 氨基修饰磁性氧化石墨烯吸附离子型染料性能[J]. 中国环境科学， 2016， 36（7）： 2020-2026.

[9] Wang H， Deng T， Wang Y， et al. Graphene oxide as a facile acid catalyst for the one-pot conversion of carbohydrates into 5-ethoxymethylfurfural[J]. Green Chemistry， 2013， 15（9）： 2379-2383.