氧化石墨烯性质及其应用前景

第 ６期
氧化 石墨烯 性 质及其 应 用前景
３ ． １ ． ２ 除氨
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提 高 Ｈ 的结 合能 ， 在 克 服 金 属 聚集 的缺 点 下 ， 掺 杂 金属（ 特别 是 过渡金 属 ） 对氧 化石 墨烯 进行 改性是 提 高 Ｈ。 结合 能 和储 存 能 力 的一 种有 效 方 法 。氧化 石 墨烯 基 的复合 材料 特别 是 ３ Ｄ柱状 多孔 材 料 表现 出 了 良好 的氢 气储 存性 能 和能 源应 用潜力 。
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目前 ， 氢 能 源 储存 方 式 可 以分 为化 学 储 存 和 物 理储 存 。化 学存 储 的氢 化物 虽然 通 常具有 较 高 的氢 含量 ， 但 其 氢释 放 性 能 不 理 想 。物 理 存 储 由于 受 到 Ｈｚ 分 子 弱 吸 附性 能 的影 响 ， 导 致 存 储 能 力 普 遍 较
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四 川化 工
第２ Ｏ卷
２ ０ １ ７年 第 ６期
氧 化 石 墨 烯 性 质 及 其 应 用前 景
黄倩雯 楚英豪 （ 四川 大 学建 筑与环 境 学院 ， 四川 成都 ， ６ １ ０ ０ ６ ５ ）
摘 要
氧化石墨烯具有比表面积大 、 机械稳定性高和光学性能强等优点。通过设计氧化石 墨烯基复 合材料可 以应用于储氢材料 、 光解水催化剂、 去除空气 污染物 、 水净化 以及各种锂电池 电极 。本文 对氧化石墨烯性质进行 了阐述 ， 在能源储存、 转换和环境保护应用方面具有一定优势及良好前景。 关键 词 ： 氧化 石墨 烯 能 源转 化 环境 保护 Ｘ － ＿ ， ｌ ｋ 应 用
上 ＊ 刖 士 胃 氧 化 石 墨烯 是 一 种 层状 的石 墨 氧化 物 ， 可 以通 具。 有很 一 大 的潜 …。 力 。 。
２ 能量转换与储存
２ ． １ 光 解水 产氢
过超声波处理或机械搅拌将石 墨氧化成层状得到 。 石墨烯基材料丰富的功能性来源于其晶格结构和表 面富含的各种含氧基团 ， 表面官能团提供 了丰富并 且 有效 的活 性 点位 。此 外 ， 氧 化 石 墨 烯 拥有 可调 节 的 电子 属性 。通 常情 况 下 ， 由于大 量 的 ｓ ｐ ３杂化 碳 原子与含氧基团结合在一起产生绝 缘层 ， 这使得 单 片 电阻可 以达 到 １ ０ Ｅ ｌ ｓ ｑ 或 者 更 高 。然 而 在 还 原 反应后， 还原氧化石墨烯的单 片电阻可 以降低数个 数 量级 ， 使 得 原有 材料 转换 成半 导体 ， 甚 至变 成类 似 石 墨 烯 的半 导 体 材料 ［ １ ］ 。 除此 之 外 ， 氧 化 石 墨 烯 还
２ ． ２ 储 氢
还原 程 度来 调节 它 的光 透 射 率 。一 般 来 说 ， 悬 浮 在 水 中 的氧化 石墨 烯薄 膜 由于浓 烯薄膜（ 厚度小于 ３ ０ ｎ ｍ） 是 半 透 明的¨ ２ ｊ 。氧化 石 墨烯 的光 学 吸收 主要 由７ 【 一兀 转 换 控 制 ， 它通常会在 ２ ２ ５ —２ ７ ５ ｎ ｍ（ ４ ． ５ ５ ． ５ ｅ Ｖ） 之 间产生 吸 收峰值 。在还 原过 程 中 ， 当吸 收峰 向 ２ ７ Ｏ ｈ ｍ移动时 ， ７ ｃ 电子 密 度 和结 构顺 序 的增 加， 导 致其 光 吸收 强度 增加 ＿ ３ ］ 。通 常 ， 氧化 石 墨烯 的 机械性能 由氧化的程度和厚度等细节决定。尽管氧 化石 墨烯 的特 性 丰 富 ， 但 在 实 际应 用 中仍 然 存 在 一 些不 足 之处 。结 构 缺 陷 、 分 散 性差 和 多层 厚 度 会 影 响其 电气性能和比表面积大小［ 。常用氧化石墨烯 的绝缘特性也 限制了它在电子设备和能量存储 中的 应用 。但是 ， 氧化石墨烯本身表面上含氧官能团可 以通 过对 其 进 行化 学修 饰或 功能 优化 来大 幅度 增加 它 的结 构 和化 学多样 性 。因此 ， 在 能 量存储 、 转 换 和 环境 保 护 的应 用领 域 中 ， 氧化 石 墨 烯 及 其 复 合 材 料
低， 并且物理存储要求其存储设备条件较高 ， 在满足 较 大 的表 面积 同 时重量 要轻 。
２ ． ２ ． １ 物 理 储 氢
在 原二 维石 墨烯纳 米 薄 片上 ， Ｈ 分 子 的 弱 吸 附
能（ 只有 １ ． ２ ｋ Ｊ ｍｏ ｌ ） 通常会 导致非常低的储氢能 力（ ＜２ ｗｔ ） Ｅ ６ ３ 。然 而在 大气 压 力 下 ， 层 状 氧 化 石 墨烯材料可以高达 ４ ｗ ｔ 的高储氢能力 ， 并且可以 通 过调 整层 间距 和孔 隙大 小来 提 高储 氢容 量 。氧化 石墨烯表面官能 团与其他活性物种进一步合成可 以
表现 了出色 的光 学 和机 械性 能 ， 在 各 个 领 域 广 泛 应 用 。通过 改 变氧 化石 墨烯 薄膜 厚度 和 氧化 石墨 烯 的
在 未来 ， 氢 能 源被 认 为 是 一种 清 洁 的 可再 生 能 源。氢气 的生产和储存 对于氢气 的利用至关重要。 在 可见 光 照射下 的半 导体 光催 化 剂进 行水 分解 是一 种 具有 潜力 的 获 取 氢 能源 的方 式 。在 实 际应 用 中 ， 这种技术具有无法利用可见光， 能量补偿不合理 ， 和 反 应接 触 面积 小 等 缺 点 。 由于 优 越 的 电 子移 动性 ， 高 比表 面积 ， 可调节 的 电子 能带 结构 ， 氧化 石 墨烯基 复合 材料 已经 被 开发 成 为 了光 解 水 的 高 效催 化 剂 。 研究表明， 在 汞光 照射 下 ， 即使没 有 Ｐ ｔ 催 化剂 ， 氧 化 石墨 烯在 ２ ． ４ —４ ． ３ ｅ Ｖ 能带 下仍 然具 有 光解 产氢 的 催化 活性 ［ ５ ］ 。 由于氧化 石 墨烯 片状 材料拥 有 更 高 的 氧化 能力 ， 较 大 的能带 和对 于光 吸 收 的限制 ， 氧化 石 墨烯 更 有利 于 帮助达 到光 分解 水 产氢 的 目的 。