環(huán)氧基功能化

　　氧化石墨烯上的環(huán)氧基功能化最常見的與帶氨基或巰基的有機分子發(fā)生親核開環(huán)反應(yīng).Shi等氧化還原高度可逆、穩(wěn)定的有機小分子——2-氨基蒽醌(AAQ),通過氧化石墨烯上環(huán)氧官能團的開環(huán)反應(yīng)將AAQ的氨基共價接枝到氧化石墨烯片上,合成得到蒽醌修飾的氧化石墨烯(簡稱AQGO).之后將AQGO還原、組裝得到AAQ修飾化學轉(zhuǎn)化石墨烯(CCG)/未修飾CCG的復合物多孔水凝膠(簡稱AQSGH)電容器.

　　元素分析結(jié)果表明,AQGO的含氮量為1.1wt%,C/N原子個數(shù)比約為55∶1.由于AAQ本身的C/N比為14∶1,因此平均41個氧化石墨烯碳原子接枝一個AAQ分子,接枝率相當高,AAQ殘基在AQGO中的含量為17.5%.XRD測試結(jié)果顯示,AQGO層間距(0.907nm)明顯大于氧化石墨烯(0.798nm),而且半峰寬增加,表明片層之間的排列由于AAQ的共價接枝變得更加松散.經(jīng)AFM表征,AQGO的厚度約為1.2nm,略大于未修飾的單層氧化石墨烯,仍為單層結(jié)構(gòu).石墨烯以及其自組裝水凝膠的片層結(jié)構(gòu)作為AAQ的基體,提供了高接枝率、良好導電性以及穩(wěn)固的力學支撐.

　　Mao等利用表面的環(huán)氧基團與巰基乙胺發(fā)生開環(huán)反應(yīng),首先得到巰基功能化的石墨烯,然后通過巰基與金電極表面形成金-硫鍵,從而實現(xiàn)對汞離子的檢測,如圖15所示.Swager等用丙二腈陰離子和氧化石墨烯作用,在丙二腈陰離子的進攻下,環(huán)氧基開環(huán),一端接上羥基,另一端接上丙二腈.當用丙二腈磺酸鹽試劑和氧化石墨烯反應(yīng)時,由于磺酸鹽的強親水性,得到的功能化石墨烯在水中分散性很好.基于環(huán)氧基的親核反應(yīng)提供了一種簡單的制備改性石墨烯材料的方法,有著潛在的應(yīng)用前景.

　　元素摻雜改性

　　通過共價鍵、非共價鍵連接引入新的基團能賦予石墨烯一些優(yōu)異性能.另一種功能化改性方法是對石墨烯進行元素摻雜改性.通常采用退火熱處理、離子轟擊、電弧放電法等手段在石墨烯中摻入不同的元素,從而在石墨烯中形成取代缺陷、空位缺陷,保持石墨烯本征二維結(jié)構(gòu)不變的同時其表面特性發(fā)生改變而賦予新的性能.Duan等采用熱退火處理石墨烯和硝酸銨方法制備了6.54at.%氮含量摻雜的石墨烯,其催化苯酚氧化降解的效率是未摻雜的5.4倍,還研究了B、P或N摻雜石墨烯的協(xié)同效應(yīng).Dai等將氧化石墨烯在NH3的氣氛中進行升溫熱處理,獲得不同含氮量的n型氮摻雜石墨烯.溫度在300℃和1100℃之間變化時,氮摻雜含量約為3%～5%,其中500℃時,氮摻雜含量達到最大值5%.Jafari等用HotFilament化學氣相沉積法通過氧化硼粉末與乙醇蒸汽在石墨烯表面摻入B,硼摻雜的石墨烯器件能用于NO和NO2等有毒氣體的檢測.元素摻雜石墨烯能有效地改變石墨烯的能帶結(jié)構(gòu),便于開發(fā)新型功能化石墨烯電子器件.