石墨烯与氧化石墨烯的基本结构与性质

石墨烯与氧化石墨烯的基本结构与性质关键词：石墨环氧基化合物标准品ATCC北京标准物质网标物网石墨烯具有平面六边形点阵结构[如图1(a)所示],每个碳原子有4个价电子,其中3个电子(2s电子、2px电子及2py电子)形成平面的sp2杂化轨道,剩余的一个轨道电子形成离域大π键,电子可以在平面内自由移动.这种特殊的结构赋予了石墨烯卓越的电学、力学、光学和热学等物理性质.石墨烯具有量子霍尔效应、隧穿效应、双极性电场效应和高热导率.电子在石墨烯内传递时不易产生散射,室温下最大迁移率可达到2×105cm2/(V•s),理想石墨烯电导率可达1×106S/cm以上.石墨烯的杨氏模量可达到1100GPa,对可见光有97.7%的透过率,比表面积可达2630m2/g.与石墨烯相比,氧化石墨烯的元素组成并不固定.普遍认为氧化石墨烯存在羟基(-OH)、环氧基[-C(O)C-]、羰基(-C＝O)、羧基(-COOH)、酯基(-COO-)等含氧官能团,典型的结构如图1(b).由于官能团的存在,氧化石墨烯的厚度可达到(1.1±0.2)nm,远高于石墨烯的0.3354nm.同时,氧石墨烯的共轭结构遭到了破坏,不再具备导电性,力学性能大幅降低.但是可以通过化学还原或热还原等手段,恢复其部分共轭结构从而提高性能,例如,Suk等利用化学还原和热还原结合得到的还原氧化石墨烯电导率为2.02×104S/m,Gómez-Navarro等测得化学还原的氧化石墨烯模量为0.25TPa,与氧化石墨烯差别不大.含氧官能团的存在一方面使氧化石墨烯的部分物理性能低于石墨烯,但另一方面也赋予其良好的分散性和反应活性.氧化石墨烯中的含氧官能团等很容易与含氨基、羧基、异氰酸酯基等基团的化合物发生反应,从而实现对氧化石墨烯的共价结合改性;氧化石墨烯还可通过氢键、π-π键等与其它化合物实现非共价键结合.