氧化石墨烯的烷基化改性及其结构表征研究
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用【摘要】石墨烯是一种具有优异导电、高强度和超薄结构的二维材料，自其发现以来，一直备受关注。
本文探讨了石墨烯表面改性在涂层中的应用。
通过实现石墨烯表面改性，可以增强其与其他物质的相容性和粘附性，提高涂层的耐久性和性能。
石墨烯在涂层中的应用优势主要包括其高导电性和强度优势，可以应用于防腐涂料和导电涂料中。
石墨烯改性涂层的性能优化也是当前研究重点之一。
结合石墨烯的特性和优势，预计石墨烯在涂层领域有广阔的应用前景，为涂层提供了新的可能性。
石墨烯的发现和表面改性对涂层领域带来了重要的突破，为未来涂料技术的发展开辟了新的研究方向。
【关键词】石墨烯, 表面改性, 涂层, 应用, 优势, 性能优化, 防腐涂料, 导电涂料, 可能性, 应用前景1. 引言1.1 石墨烯的发现与特性石墨烯是由石墨经过化学还原、机械剥离等方法获得的一种二维晶体材料，是由一个原子层组成的二维晶体材料。
石墨烯具有很多优异的特性，比如高导热性、高机械强度、高光学透明度等，是一种具有广泛应用前景的新型材料。
石墨烯的发现可以追溯到2004年，由英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次成功分离出石墨烯，从而引发了全球范围内对石墨烯研究的热潮。
石墨烯具有很高的电子迁移率和热传导率，使其成为理想的导电材料和热导材料。
石墨烯还具有出色的力学性能，比如高弹性模量和强度，使其在纳米材料领域具有广泛的应用前景。
石墨烯的发现为材料科学和技术领域带来了新的突破，为石墨烯在涂层领域的应用提供了强有力的支撑。
1.2 对石墨烯表面改性的重要性石墨烯表面改性的重要性主要体现在以下几个方面：改性可以增加石墨烯与其他物质的相互作用力，提高其在复合材料中的分散性和增强性能；改性可以使石墨烯具有更多的功能化官能团，拓展其在不同领域的应用，如生物医药、传感器等；通过表面改性可以提高石墨烯的稳定性和耐久性，使其更加适合工业化生产和应用。
石墨烯化学改性及其应用研究
石墨烯化学改性及其应用研究石墨烯是一种由碳原子构成的平面六角形结构的材料，它具有很高的机械强度、热导率和导电率，被认为是一种前景广阔的新型材料。
然而，石墨烯的应用受到其在化学稳定性和生物相容性方面的限制。
为了解决这些问题，石墨烯化学改性被广泛研究。
一、石墨烯化学改性方法石墨烯的化学稳定性可以通过在其表面引入化学官能团来增强。
通常使用的方法有氧化、烷基化和芳基化等。
1. 氧化改性：氧化是最常用的化学改性方法之一，可以通过暴露石墨烯在有机溶剂和强氧化剂下，例如硝酸和过氧化氢，来引入氧化官能团。
氧化石墨烯（GO）的羟基、羧基和酮基等官能团可以提高其在水中的分散性，并可用于制备复合材料和高性能纳米电子器件。
2. 烷基化改性：烷基化是通过与自由基或亲电试剂反应来在石墨烯表面引入烷基官能团。
例如，用溴代烷或卤代乙酸盐可以在石墨烯表面引入烷基官能团，增加了其与有机分子的相容性。
3. 芳基化改性：芳基化包括用芳香族化合物进行反应或热解。
通过用过渡金属催化剂催化石墨烯和芳香族化合物的反应，可以在石墨烯表面引入芳基官能团，增加其化学反应性和电学性质。
二、石墨烯化学改性应用的研究进展通过石墨烯化学改性，可以实现对其物理和化学性质的精确调控，从而扩大其应用范围。
1. 生物医学应用研究石墨烯化学改性后的材料具有更好的生物相容性和生物可降解性。
例如，氧化石墨烯经过PEG化改性后可以在体内通过肝脏进行有效降解。
将石墨烯氧化物与生物大分子（如DNA、蛋白质）进行配合，可以用于有效地传递DNA和制备纳米载药系统，具有很好的药物控释效果。
2. 电子和储能应用研究石墨烯经过化学改性后可以用于制备新型的电子和储能器件。
例如，将石墨烯氧化物与其他功能性纳米材料（如金属纳米粒子和碳纳米管）进行配合，制备出复合材料，可用于电池、超级电容器和光电催化剂等领域。
同时，将石墨烯表面修饰具有机功能分子可以增强其在电路中的性能和稳定性。
3. 其他应用研究石墨烯经过化学改性之后，还可以用于各种领域。
氧化石墨烯的可控还原及结构表征
联 系人简介 ：王贤保 ， ，博士 ， 男 教授 ， 士生导师 ，主要从 事碳纳米材料及其复合材料 的可控制备 、 能及应用研究． 博 性
Ｅ— ｉ ！ｗｘ ＠ ｈ ｂ ． ｄ ｃ ｍａｌ ｂ ｕ ｕ ｅ ｕ． ｎ
还原 成石 墨烯 （ 即还 原 的氧化石 墨烯 ， Ｇ 的方法 ¨ Ｒ Ｏ） ．该方 法成 本低 ， 率高 ， 大 量生 产 石 墨烯 的 产 是 最佳 途径 之一 ．与氧化 石墨 烯相 比，石墨烯 含氧 基 团 的减 少 导致 其 片层 之 间 范德 华 力增 大 ，容易 产 生 聚集 ， 使其 难溶 于水及 常用 的有 机溶 剂 ， 在基体 中的分散 性 差 ， 石 墨烯 的进 一 步 研究 和 应 用造 成 了 给
（ ．湖北大学材料科学与工程学院 ， １ 教育部功能材料绿色制备与应用重点实验 室 ， 武汉 ４ ０ ６ ； ３０ ２
２ ．湖 北 汽 车 工 业 学 院 材 料 工 程 系 ， 堰 ４ ０ ０ ） 十 ２０ ０
摘要
采用氧化还原法 ， 通过控制还原时间制备 了不 同还原程度的石墨烯 ； 用红外光谱 、紫外光谱 、拉曼光
进 行 了初步研 究
．本课 题组 在石 墨烯 的制备 ］ 修饰 。 、
及应 用
方面 已进行 了一系列 的
探 索 ．在此 基础 上 ， 本文 采用 水合 肼和 氨水 作还 原 剂 ， 讨 了 还原 反应 时 间对 氧化 石 墨烯 的影 响 ， 探 获 得 了一系列 不 同还原程 度 的石墨 烯 ， 并对 其结 构和性 能进 行 了表 征 ．
０ １．１ ６ ３ ７ 文献标识码 Ａ Ｄ Ｉ １ ．９ ９ｊｉ ｎ０ ５ －７ ０ ２ １ ．９ ０５ Ｏ ： ０ ３６ ／． ｓ．２ １０９ ．０ ２０ ．０ ｓ 中图 分 类 号
石墨烯的功能化改性及应用研究
石墨烯的功能化改性及应用研究石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有出色的物理、化学和机械性能。
自2004年被成功分离以来，石墨烯在能源、材料、生物医学等领域的应用引起了广泛。
然而，石墨烯的化学稳定性、生物相容性以及在水溶液中的分散性等问题限制了其广泛应用。
因此，对石墨烯进行功能化改性具有重要的实际意义。
功能化改性是提高石墨烯应用性能的有效途径。
改性的方法主要包括氧化、还原、官能团化、共价键合等。
通过这些方法，可以改变石墨烯的表面性质、水溶性、分散性等，以满足不同应用场景的需求。
氧化石墨烯是一种常见的石墨烯衍生物，通过在石墨烯表面引入羟基、羧基等基团，提高其水溶性和分散性。
还原氧化石墨烯则是在氧化石墨烯的基础上，通过还原剂将氧化基团还原为氢基团，以恢复石墨烯的导电性能。
官能团化石墨烯是通过化学反应在石墨烯表面引入特定官能团，如氨基、巯基等。
这些官能团可以与其它分子或离子反应，实现对石墨烯功能的进一步拓展。
共价键合则是通过在石墨烯表面引入功能化的基团，实现与其他分子或材料的键合。
经过功能化改性后，石墨烯在各个领域的应用研究得到了广泛开展。
在电子领域，功能化石墨烯可用于制作透明导电膜、场效应晶体管、储能器件等。
在纳米制备领域，功能化石墨烯可用于制备纳米药物、纳米催化剂、纳米传感器等。
在复合材料领域，功能化石墨烯可用于增强金属、陶瓷、高分子等材料，提高其力学、电磁、热学等方面的性能。
功能化石墨烯在能源、生物医学等领域也有广泛的应用前景。
尽管石墨烯的功能化改性和应用研究已经取得了显著的进展，但仍存在许多问题需要进一步探讨。
功能化改性的方法需要进一步完善，以提高石墨烯的性能和稳定性。
石墨烯的大规模制备和分离仍然是亟待解决的问题，需要开发更为高效和经济的方法。
石墨烯的生物相容性和生物活性需要进一步研究，以拓展其在生物医学领域的应用范围。
本文介绍了石墨烯的功能化改性及其应用研究。
通过氧化、还原、官能团化和共价键合等方法，可以改善石墨烯的性能和应用范围。
通过“点击化学”对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性
通过“点击化学”对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性一、本文概述随着科学技术的不断发展，石墨烯和氧化石墨烯这两种二维纳米材料因其独特的物理和化学性质，在能源、生物医学、电子器件等领域展现出广阔的应用前景。
然而，原始的石墨烯和氧化石墨烯往往缺乏足够的反应活性或功能基团，限制了其在某些特定领域的应用。
因此，对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性，以引入所需的反应活性或功能基团，已成为当前研究的热点。
“点击化学”作为一种高效、高选择性的合成方法，具有反应条件温和、产物纯度高、操作简便等优点，为石墨烯和氧化石墨烯的功能化改性提供了新的途径。
本文旨在探讨通过“点击化学”对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性的方法及其潜在应用。
我们将介绍“点击化学”的基本原理，概述石墨烯和氧化石墨烯的基本性质，分析功能化改性的必要性，并重点讨论利用“点击化学”进行功能化改性的具体策略、实验步骤以及改性后材料性能的表征方法。
我们将展望石墨烯和氧化石墨烯功能化改性在各个领域的应用前景，以期推动相关领域的研究和发展。
二、石墨烯和氧化石墨烯的制备在探讨如何通过“点击化学”对石墨烯和氧化石墨烯进行功能化改性之前，首先需要理解如何制备这两种关键的碳纳米材料。
石墨烯，作为一种二维的碳纳米材料，其制备通常涉及从石墨中剥离出单层碳原子。
最常用的制备方法是机械剥离法，即通过使用胶带反复剥离石墨表面，直到获得单层石墨烯。
化学气相沉积（CVD）法也是制备大面积石墨烯的有效方法，它通过在高温下分解含碳气体，使碳原子在金属基底上沉积形成石墨烯。
而氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）则是石墨烯的氧化形式，其制备通常通过化学氧化石墨的方法实现。
最常用的氧化剂包括高锰酸钾（KMnO4）和浓硫酸（H2SO4）。
在这个过程中，石墨被氧化，形成带有含氧官能团（如羧基、羟基和环氧基）的氧化石墨烯。
这些官能团赋予了氧化石墨烯更好的亲水性和可加工性，使其在生物医学、能源储存和转换等领域有广泛的应用前景。
硅烷偶联剂改性氧化石墨烯的制备及表征
自于硅烷偶联剂中的 —ＣＨ３和 —ＣＨ２，为新出现的 峰。由此也可判断，硅烷偶联剂与 ＧＯ发生了反应； 另外，在 １０２０，１０４０ｃｍ－１处出现了 Ｓｉ—Ｏ—Ｃ、Ｓｉ— Ｏ—Ｓｉ键的伸缩 振 动 吸 收 峰，再 次 证 明 了 硅 烷 偶 联 剂与 ＧＯ发生了接枝。但是由于 ＫＨ５５０、ＫＨ５６０和 ＫＨ５７０的结构不甚相同，所测得的特征峰的位置也 多少会有些不一样。 ２．２ Ｘ射线衍射分析
究。电话：１８１３１１６７８６１，Ｅ－ｍａｉｌ：２５６４０２７７７４＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯联 系 人：赵 雄 燕，男，河 北 丰 润 人，博 士，教 授，从 事 高 性 能 高 分 子 材 料 及 精 细 化 工 材 料 的 研 究。电 话：０３１１－
８８６３２４２５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｘｙ６６＠１２６．ｃｏｍ
２ 结果与讨论
２．１ 红外光谱分析 图 １为 ＧＯ、ＫＨ５５０、ＫＨ５６０和 ＫＨ５７０改性氧化
收稿日期：２０１８０４１３ 修改稿日期：２０１８０５１５ 基金项目：河北省科技支撑计划项目（１６２１１２２３Ｄ） 作者简介：王慧茹（１９９３－），女，河北石家庄人，在读硕士，师从赵雄燕教授，从事新型功能高分子材料的制备与性能研
摘 要：通过与不同的硅烷偶联剂反应，得到了三种不同的功能化氧化石墨烯（ＦＧＯｓ）。通过红外光谱、热失重分 析、扫描电镜、Ｘ射线衍射等进行表征。结果表明，以硅烷偶联剂为改性剂制备的功能化氧化石墨烯，片层间距有所 增加，热稳定性明显提高。 关键词：氧化石墨烯；硅烷偶联剂；功能化；热稳定 中图分类号：ＴＱ１２７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０１－００９７－０３
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｓｉｌａｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ
氧化石墨烯的制备与改性研究_魏珊珊
， 但图 1 （ c ）
+
看不到 NH3 的特征峰， 这可能是由于 NH3 的浓度太 低所致。
图1
EG、 GO 和 MGO 的 FT － IR 图
（ a） EG； （ b） GO； （ c） MGO
GO 与 MGO 用 Nicolet380 傅立叶红外光谱仪对 EG、 KBr 压片制样。用 DI Mutlimode NS － 的结构进行表征， 3D 原子力显微镜表征 GO 的形貌， 测试采用轻敲模 扫描速率为 2． 0 Hz。另外还采用 JEM － 3010 扫描 式， GO 与 MGO 的形貌， 电镜表征 EG、 加速工作电压为 10 kV； 用 JEM － 3010 高分辨透射电子显微镜表征 EG、 GO 与 MGO 的形貌， 加速工作电压为 200 kV。 用 TA Q50 热重分析仪表征样品在室温至 600 ℃ 范围内的热 失重曲线， 高纯氮气保护， 气流量为 50 mL / min， 升温 速率为 10 ℃ / min。 2． 2 AFM 分析
－1 羰基中的 CO 伸缩振动； 1 642 cm 附近的峰为 基、 －1 水分子的 OH 弯曲振动吸收峰； 1 412 cm 附近的峰应 －1 为 GO 结构中羟基的—OH 弯曲振动吸收； 1 259 cm
附近 的 中 强 峰 应 为 羧 基 中 的 C —O 伸 缩 振 动 吸 收； 1 134 cm － 1 附 近 的 峰 归 属 于 C —O—C 的 伸 缩 振 动； 1 065 cm － 1 附近的峰应为 C—OH 的伸缩振动， 表明 GO C — O— C 、 C — H、 C O 、 —OH、 —COOH 中存在 C—O、
［7 ］ 等基团， 这与文献报道基本一致 。从图 1 （ c ） 可以看 －1 有机改性后的 GO 在 1 434 cm 处的 CO—H 基团 出，
醇胺功能化氧化石墨烯的制备与表征
醇胺功能化氧化石墨烯的制备与表征一、引言石墨烯是已知的世界上最薄、最坚硬的纳米材料。
自2004年Geim和Novoselov从石墨中分离出石墨烯以来，石墨烯已成为研究者们的热点[1]。
石墨烯是碳原子sp2杂化连接的二维纳米材料，具有优良的电学性能[2]，热学性能[3]，机械性能[4]等,可广泛用于分子传感器[5]、电池[6]、超级电容器[7]和纳米材料[8]等中。
可以预见，石墨烯将会拥有广阔的应用前景。
但是在实际应用中还存在一些问题，首先是石墨烯的制备。
微机械分离法是目前最直接的方法，但是该方法效率低下[9]。
本文是通过先制得氧化石墨，再还原得到石墨烯。
世界上许多研究者都参与到其中[10-12]。
其次，是因为单层石墨烯易堆叠在一起，不能稳定分散在溶剂中。
但是我们可以通过对石墨烯片层表面的缺陷和周边处引入一些特定的官能团达到对其功能化的目的，不仅可以使石墨烯的结构和性能得到一定程度的改变，还有可能在其他领域得到拓展。
由于功能化的石墨烯在成型加工方面、与其他材料符合方面和制备新型材料方面的巨大优势，制备出具有活性官能团并能稳定分散在溶剂中的石墨烯，有广阔且光明的应用前景，在石墨烯研究领域也拥有重大意义。
氧化石墨烯可以看作是石墨烯的氧化物。
氧化石墨烯具有羟基、羧基、环氧基等大量活性基团[13]。
正是因为含有这些活性官能团，所以可以改性过后接上一些其他官能团对其进行功能化。
功能化主要是通过改变石墨烯表面的官能团来进行功能化的。
或者是在其表面插入特定的官能团来达到功能化的目的。
功能化有共价键和非共价键的。
其中，Stankovich S、Piner R D[14]等用异氰酸酯和氧化石墨烯上的羟基和羧基反应，制备出一系列的异氰酸酯功能化的石墨烯，可以在许多极性非质子溶剂中稳定均匀分散。
该反应条件要求不高，操作简单，效率高，但异氰酸酯是剧毒物质，限定了其应用范围。
Niyogi等人首先利用SOCl2对氧化石墨烯表面的-COOH进行活化，生成酰氯，再用十八胺与其反应，从而在石墨烯表面上引入长链烷基，经此步骤功能化的石墨烯的厚度仅为0.3-0.5nm，并且可以溶于四氢呋喃和四氯化碳等较常用的有机溶剂中。
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毕业设计（论文）
文献综述
题目氧化石墨烯的烷基化
改性及其结构表征研究
专业
班级
学号
姓名
指导教师
2014 年
氧化石墨烯的烷基化改性及其结构表征研究
摘要：本文主要对石墨烯的结构、性能、特征进行了介绍，并对石墨烯以及改性石墨烯的制备方法进行了归纳总结，评价了改性对于石墨烯性能的影响，并对其应用前景进行了总结。
碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IV A 族。
由碳元素组成的碳质材料具有多样性、特异性、广泛性等特点。
近20 年来，碳质纳米材料一直处于科技研究的前沿领域。
2004 年，Geim 等[1]人首次利用胶带剥离高定向热解石墨的方法获得了单层和薄层石墨烯，更是激起科学界对碳质纳米材料的又一轮研究热潮。
石墨烯是目前已知的最薄的二维材料。
完美的石墨烯具有理想二维晶体结构，具有特殊的力学、电学、光学和热学特性，包括出色的力学性能（1060 GPa）[2]，高热导率3000J/( m· K·s)[3]，室温下高速的电子迁移率20000 cm2( V· s)[4]，高的理论比表面积2600 m2/g[5]等。
石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应[6]等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，全世界正掀起一股石墨烯研究的热潮。
为了更好地利用石墨烯的这些特性, 研究者采用了多种方法制备石墨烯。
随着低成本可化学修饰石墨烯的出现, 人们可以更好地利用其特性制备出不同功能的石墨烯复合材料。
本文将着重介绍石墨烯及改性石墨烯的制备及表征情况。
1.石墨烯介绍
氧化石墨是由布朗斯特酸-石墨层间化合物在强氧化剂（如高锰酸钾、高氯酸甲等）作用下并且经水解而成的具有准二维层状结构的共价键型石墨层间化合物。
氧化石墨的结构和性质取决于合成它的方法，氧化石墨仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距（约0.7nm）大约是石墨中层间距的两倍，一般认为其重复层间距Ic介于6至11Å之间。
扫描隧道显微镜表明在氧化石墨中某些区域内，氧原子以0.27 nm × 0.41 nm的晶格常
数排列为矩形，在氧化石墨层的最边缘均为羰基或羧基。
氧化石墨和石墨、膨胀石墨相比有更多地极性官能团和更大的层间距，较粘土有更大的离子交换能力，因而它更易通过吸附金属离子、极性小分子以及高聚物单体甚至高聚物分子形成氧化石墨纳米复合材料。
氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨烯的一种衍生物，是由氧化石墨发生剥离而形成的单层或多层氧化石墨[7]，具有典型的准二维空间结构，其片层上含有很多含氧基团，具有较高的比表面能、良好的亲水性和机械性能，在水和大多数极性有机溶剂中具有很好的分散稳定性[8]。
氧化石墨烯的结构与石墨烯大体一样，近似呈二维结构，通过表面元素分析(XPS)、红外光谱(FTIR)、固体核磁共振谱(NMR)等表征结果显示，它只是在一层延伸的碳原子边缘或表面含有羧基（-COOH）、羟基(C-OH),层间含有环氧基(C-O-C)以及羰基（C=O,O-C=O）等含氧基团的石墨氧化物，其中羟基和环氧官能团主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基则处在石墨烯的边缘处[9],它与石墨烯之间各自有独特的特点，但又有很多性质完全一致。
图1-1 片层氧化石墨烯的示意图
其特性可总结如下：氧化石墨烯含氧官能团的存在使得氧化石墨烯产生了一些如亲水性、高分散性、与高聚物的兼容性等新特性，但同时含氧官能团使石墨烯层面内的π-π键断裂，因此大量失去了传输电子的能力。
然而，石墨烯在实际中并不能完全丢失含氧官能团，氧化石墨烯也不是完全。