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、2p x电子及 2p y 电子)形成平面的 sp 2 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 2×10 5cm 2 /(V•s), 理想石墨烯电导率可达 1×10 6 S/cm 以上.

石墨烯的杨氏模量可达到 1100 GPa, 对可见光有97.7%的透过率, 比表面积可达 2630 m 2 /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0.3354 nm. 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0.25 TPa, 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 .