石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化互相形成平面共價鍵而組成的蜂窩狀單層碳結構，也是眾多納米碳結構例如富勒烯、碳納米管的基本結構單元。自2004年被Geim等成功制備以來，石墨烯以極高的機械強度、載流子遷移率和電導率、熱導率、透光率、化學穩(wěn)定性等特性，成為近年來的明星材料。受到學術和產業(yè)界的廣泛關注。

　　然而，與這些無與倫比的性能相對，在生產和生活中實際應用的石墨烯材料所需要的性能則是多種多樣的。例如，石墨烯是一種理論比表面積可達2630m2/g的材料，在表面化學、吸附等領域具有極大的應用潛力。但本征石墨烯的表面是平整的大π鍵結構，具有相當程度的化學惰性和疏水性，并且很容易堆疊、聚集，不利于石墨烯性能的發(fā)揮。

　　為了解決上述的問題，滿足應用的需求，學者們在石墨烯的基礎上添加其他成分和結構，形成一類新材料功能化石墨烯，它們在保持石墨烯大部分基本特性的同時，具有不同于本征石墨烯的新性能。由于各種修飾方法的引入，功能化石墨烯逐漸能夠針對實際的需求進行合理的設計，其應用潛力也逐漸被開發(fā)出來，近年來其研究得到了飛速的發(fā)展！

　　本文綜述了功能化石墨烯的最新進展。首先按照化學結構，從共價結合和非共價結合兩個方面闡述了其制備方法。其次，按照具體的應用領域，歸納總結，敘述了近年來功能化石墨烯的最新研究成果。

　　1、制備方法

　　功能化石墨烯是由石墨烯衍生而來的。在過去的十多年中，石墨烯的制備方法經過不斷發(fā)展，逐漸形成了以化學氣相沉積法為代表的石墨烯薄膜制備和以氧化還原法為代表的石墨烯粉體制備兩大類，如圖1，2所示。前者的特點是石墨烯具有較高的結晶質量、較少的官能團含量和具有本征半導體的電子學性能，后者的特點則是石墨烯表面含有一定的含氧官能團，并具有疏松的結構，有利于其發(fā)揮較大比表面積的性能，并能夠進行批量地生產。相應地，功能化石墨烯的制備也分別以本征石墨烯和氧化石墨烯作為原料。

　　1.1石墨烯的共價功能化

　　本征石墨烯表面完全由sp2碳原子構成。這是一種非常穩(wěn)定的結構，使石墨烯在通常情況下具有很強的化學惰性。同時，這一結構使得石墨烯之間很容易堆疊聚集，并且疏水的本質也使石墨烯很難在水等溶劑中分散，降低了石墨烯在應用中的可操作性。

　　石墨烯的共價功能化旨在破壞這一穩(wěn)定的結構，從而使石墨烯的表面活性化，便于在溶劑中分散，也有利于其在吸附等應用領域發(fā)揮作用，對平面π鍵結構的破壞，共價功能化石墨烯的導電、導熱等性能一般較本征石墨烯有明顯的下降。

　　1.1.1使用有機小分子進行官能團功能化

　　本征的石墨烯雖然具有化學惰性，但其π鍵在強烈的化學條件下，也能夠發(fā)生一定類型的化學變化。和碳納米管等類似，石墨烯的sp2碳結構可以直接與重氮鹽等自由基試劑發(fā)生反應，通過選擇適當?shù)姆磻w，可以實現(xiàn)在各種類型的石墨烯表面修飾所需的官能團，如圖3所示。除此之外，本征石墨烯也能夠和親雙烯體發(fā)生環(huán)加成作用，將sp2的碳碳鍵打開，生成功能化的產物。通過這種途徑，能夠方便地向石墨烯中引入含氮等雜原子的復雜環(huán)系，使其在多種應用領域發(fā)揮作用，這一點和其碳納米管等是一致的。

　　Xu等利用乙酰內酮作為還原劑和氧化石墨烯反應，利用乙酰丙酮中活性的碳原子，一步反應中同時實現(xiàn)了還原和功能化，得到了表面接有高配位活性乙酰丙酮單元的功能化石墨烯。這種石墨烯不僅可以分散在水等多種溶劑中，還對CO2+，Cd2+等離子具有很強的吸附能力上。

　　1.1.2高分子的共價鍵接枝

　　除了有機小分子之外，很多高分子或其前驅體也能夠通過類似的方式接到石墨烯的表面。Fang等通過在石墨烯表用重氮鹽反應接上芳羥基，并隨后進行自由基聚合，其中重氮鹽產生的自由基直接作為反應的引發(fā)劑，結果將石墨烯與聚苯乙烯的表面相連接。高分子的連接有效地分隔了石墨烯的片層，避免了聚集現(xiàn)象，同時由于石墨烯的作用，高分子形成了一層排列較好的膜。

　　與此類似地，許多高分子前驅體的聚合反應能夠在氧化石墨烯的懸浮液中進行，氧化石墨烯很自然地起到了將高分子交聯(lián)起來的作用，不僅石墨烯自身的性能得到了發(fā)揮，也使高分子復合物整體上的性能得到了不同程度的提升。

　　除了自行聚合以外，高分子還可以使用其鏈端的活性官能團連接在氧化石墨烯的表面，這彌補了原位聚合中的一部分缺點，例如可以將各種各樣的聚合物接枝在CA墨烯的表面，包括那些不能在石墨烯表面聚合的聚合物。Yu等通過化反應在GO上連接端基為羥基的P3HT分子，通過這些導電支鏈對石墨烯的電性能進行了峰飾。

　　石墨烯和高分子相互連接的一個最大特點，在于石墨烯和高分子很容易產生相互交聯(lián)，從而形成網(wǎng)格狀的結構，此外，石墨烯由于表面活性基團相對豐富，僅需很少的質量分數(shù)，就能使高分子的持性發(fā)生顯著的改變。很多石墨烯高分子復合物在溶液中呈現(xiàn)凝膠的狀態(tài)，而對于能夠形成固體的復合物，則往往伴隨物理性能的大幅改變。例如石墨烯聚乙烯醇體系中，僅需1％的氧化石墨烯即可使聚乙烯的力學性能大幅提高，抗拉強度和彈性模量分別提升88％和150％，并且由于其共價鍵的連接，斷裂伸長率也有一定的增加。

　　1.2石墨烯的非共價修飾

　　在功能化石墨烯的實際應用中，通常既要求改善石墨烯的分散性、避免過多的聚集，又要求保持石墨烯固有的導電、導熱能力，而共價鍵修飾時產生對石墨烯基車結的破壞，很難完全滿足這兩方面的要求，因而非共價鍵的修飾方法受到廣泛關注。

　　1.2.1納米粒子負載修飾

　　石墨烯作為一種具有巨大比表面積的材料，很容易通過表面吸附的方法，將其與各種已經證實具有優(yōu)異性能的粒子復合起來。這里典型的粒子包括Ag、Fe3O4等金屬或氧化物的納米顆粒，它們通常是直接連接氧化石墨烯表面的官能團，或者通過一類穩(wěn)定劑實現(xiàn)非共價連接到本征石墨烯的表面，如圖6所示，這些納米顆粒經過加熱過程，仍然牢固粘接在石墨烯的表面。

　　聚乙烯醇除了能夠以羥基和石墨烯進行共價結合以外，也是能夠通過氫鍵和氧化石墨烯連接的典型例子，適量的聚乙烯醇加入即可使氧化石墨烯片互相連接形成復雜的網(wǎng)絡結構，在水溶液中形成凝膠。