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摘要：氧化石墨烯因具有独特的电学、热学、光学、力学以及生物学上独特的性能，而在电子纳米器件、超级电容器、太阳能电池、复合材料以及生物传感器等领域具备较大的潜在应用价值和应用前景，而成为科研领域当中研究热点。鉴于此，本文首先对氧化石墨烯进行概述，然后对制备氧化石墨的不同工艺方法进行论述，最后对其在各个不同领域的应用进行了分析。
关键词：氧化石墨烯；制备；应用
1.引言
石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料，因其具有独特的电学、热学、光学、力学以及生物学上独特的性能，而在电子纳米器件、超级电容器、太阳能电池、复合材料以及生物传感器等领域具备较大的潜在应用价值和应用前景，而成为科研领域当中研究热点。而氧化石墨烯作为石墨烯当中一种十分重要的衍生物，因其结构上存在很多的含氧基团，例如-COOH、-OH、C-O-C和C=O等，可以较好的分散于水中或大部分的极性有机溶剂当中，同时其亲水性和机械性能均较好。尤其是氧化石墨烯表面含氧基团和极性基团的存在，使得其与易与其它有机物通过化学反应形成化学键，或构成相互作用。
2.氧化石墨烯概述
氧化石墨烯（Grephe Oxide， GO）属于石墨烯被氧化后的产物，如图1所示，氧化石墨烯并为将石墨烯的层状的二维片状结构给破坏，因而使得GO与石墨烯一样具有较大的比表面积和较为优异的机械性能，但由于GO结构的表面存在可观的结构缺陷，从而使得片层与片层之间的大π键出现了断裂，进而破坏了石墨烯结构中存在的共轭效应，导致了GO的导电性能有所下降，从而限制了该材料在电子器件及活性材料上的应用。但由于其表面含氧官能团的存在，可以通过功能化处理或化学修饰的方式来对GO的化学和物理性能进行调控，该特征的存在也赋予了该材料在应用上诸多优势。借助于这些反应的活性位点，通过共价键或非共价键的方式与这些活性位点对应，从而将不同官能团或不同活性物质负载在其上，进而实现对其物理化学性质的有效调控。
3.氧化石墨烯的制备
氧化石墨烯通常是以氧化石墨作为原料，通过外力的作用克服氧化石墨单层与单层之间存在范德华力，从而将其剥离分开而获得的，依据所施加外力的不同，可以将GO的制备分为热剥离法、超声法、溶剂剥离法和静电排斥法等等。
3.1热剥离法
热剥离法主要是借助于外界提供的热量，使氧化石墨层间的含氧基团发生气化或裂解，进而使得层与层之间发生剥落和撑开，层与层之间的距离变大，从而实现氧化石墨烯的制备。在热剥离法制备过程中，外界的能量会使得氧化石墨中环氧基裂解并生成H2O和CO2气体，当气体的产生速度超过一定值时，会克服氧化石墨层间的范德华力，从而将氧化石墨撑开并剥离获得GO。该制备方法因主要是借助于氧化石墨中环氧基的裂解而获得的，因此该制备方法所获得GO中部分含氧官能团存在缺失的问题，可有效提高其导电性能，但是，却使得所制备的GO的比表面积小于其理论值2600m2/g。杨云雪通过热剥离法，分别在高温和低温下采用Hummers法获得了性能不同的GO，研究了剥离时间、温度等条件对产物的影响，结果表明，热剥离后产物的宏观体积增大了上百倍，其呈现出蓬松、黑色的海绵絮状结构，同时，实验还发现温度和时间对所制备产物影响较小。
3.2 超声法
超声法就是将氧化石墨直接的分散于溶剂当中，然后，借助于超声的能量，使得溶剂产生大量小气泡，随后，破碎的小气泡会瞬时的高压，并进而将氧化石墨层间给剥离，从而制备获得GO。相对于其它制备工艺而言，超声法在剥离氧化石墨方面的效率较高，同时，其制备的氧化石墨产品尺寸较小，结构较为完整。但该制备方法还未实现工业化生产，依然还是处于实验室阶段。刘文骞采用Hummers法，以天然的石墨作为原料，通过超声法成功的获得GO，测试发现，所获得GO的C/O原子比为1.28，其表面含有的含氧官能团较为丰富。
3.3溶剂剥离法
溶剂剥离法就是通过向氧化石墨中，加入一些极性的溶剂，例如四氢呋喃、乙二醇、水等，在这些溶剂的作用下，会使得氧化石墨相邻层间的距离d增加，同时，还会使得层间的势能降低，层间的范德华力下降，最后借助于机械搅拌，从而可以获得GO产品。Park等人采用溶剂剥离法，获得了性能稳定浓度为3mg/mL的GO的悬浮液。
3.4 静电排斥法
由于氧化石墨烯片层上含有-COOH，-OH、-O-等一些含氧官能团，其中-COOH和-OH官能团会发生电离，从而使得氧化石墨片层呈现负电性。因此，通过向氧化石墨水溶液中加入一些被纯化的离子，使其在静电斥力的作用下获得GO产品，但该工艺制备的GO会在水溶液中呈现出一种稳定的溶胶状态。卓其奇等人利用KMnO4的氧化性来对GO中的含氧基团的量进行改变，并借助于其含氧官能团的离子化实现氧化石墨烯的制备，结果显示，当GO上含氧官能团越多时，GO的分散性就越好。
3.5 电化学制备法
近些年，由于电化学生产工艺具有成本较低、环境友好，制备效率高等优势，而被广泛的应用于GO的制备当中。该制备方法就是将石墨电极直接的置于电解槽的阳极和阴极当中，通过电解质的电解，来获得GO。电化学剥离制备石墨烯的操作流程较为简单，在适当的工艺条件下，可以实现高效、大批量、单层的GO的生产。 Elvia等采用电化学的氧化法，在浓度为1mol/L硫酸溶液中成功的制备得到了GO，同时还将其作为Pt纳米颗粒的载体，采用化学还原法获得了Pt/rGO催化剂。
4.氧化石墨的应用
氧化石墨烯因具有良好的电学、热学、光学和力学上的性能，而被广泛的应用于各种不同的领域当中。
4.1在电子产品领域的应用
当前随着科技的快速发展，电子产品在人们的日常生活中占据着十分重要的地位，同时，人们对电子产品的要求也越来越严格。其中，作为一种电化学新型能量储能装置，电容器因其成本低，稳定性好，使用周期长以及能量密度高而一直受到了人们的重视，成为研究热点。GO因具有良好的电学性能，而成为制备电容器的最优良的材料。
4.2在医学领域的应用
GO因具有优异的生物相容性，热稳定性、水溶性以及超高的比表面积，而被认为是开发药物递送系统局部或靶向给药的一个理想材料，GO上的含氧官能团可以通过氢键与药物分子中电负性的原子反应，从而实现了药物的功能化，这有利于药物的递送的实现。同时，由于GO具有较大的比表面积和特定的结构，因此可以从GO的底侧或顶侧进行接近，从而为生物分子或化学品进行固定。再加上GO可以通过π-π键与药物分子进行相互作用而结合。这些特性的存在，使得GO在医学、生物学领域潜在价值较高而备受科研的关注。
4.3 在材料领域的应用
纳米复合材料因同时具有纳米材料的特殊性能和高分子材料的韧性，一直受到研究者的关注。其中新型的碳纳米材料因其性能独特，而成为当前研究持续的热点，尤其是石墨烯及其衍生物材料，通过其掺杂和改性，可以有效提高复合纳米材料的性能。
5.结论
氧化石墨烯因性能优异，其早已被广泛的应用在众多的领域当中，但因其比表面积大，其在具体使用过程容易出现团聚的问题，导致其应用效果不明显，应该怎样去解决该团聚问题，仍然是当前研究的挑战问题，也是氧化石墨烯生产走向工业化的一个障碍和难点。
参考文献
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