石墨烯的功能化研究进展
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展1. 引言1.1 石墨烯增强铝基复合材料的研究背景石墨烯是一种二维晶格结构的碳原子薄膜，由于其独特的物理、化学和力学性质，被认为是一种具有巨大潜力的新型材料。
石墨烯具有极高的导热性、机械强度和化学稳定性，因此在材料科学领域备受关注。
铝及其合金由于具有较低的密度和良好的加工性能，在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用。
传统铝材料在强度和硬度方面存在一定局限性。
为了克服传统铝材料的缺点，研究者们开始探索引入石墨烯来增强铝基复合材料。
石墨烯的加入不仅可以提高复合材料的力学性能，还可以优化其导热和电导特性。
石墨烯增强铝基复合材料成为当前研究的热点之一。
通过将石墨烯与铝基材料进行复合，可以有效提高材料的强度、硬度和耐磨性，同时减轻材料的重量，提高材料的导热性能。
石墨烯增强铝基复合材料被认为具有广阔的应用前景，对于推动材料科学领域的发展具有重要意义。
【字数：220】1.2 石墨烯在材料科学中的应用潜力1. 电子器件：石墨烯具有优异的电子输运性能，高载流子迁移率和高电导率，使其成为理想的电子器件材料。
石墨烯可以应用于场效应晶体管、光电探测器、透明导电膜等领域，为电子器件的性能提升提供了新的可能性。
3. 柔性电子：由于石墨烯的柔韧性和透明性，可将其应用于柔性电子领域，如柔性显示器、柔性传感器、可穿戴设备等。
石墨烯材料的应用为柔性电子产品带来了更广阔的发展空间。
石墨烯在材料科学中的应用潜力巨大，其优异的性能和特殊的结构使得其可以在多个领域发挥重要作用，推动材料科学的发展和创新。
对石墨烯的研究不仅有助于拓展其应用领域，还将促进整个材料科学领域的进步和发展。
2. 正文2.1 石墨烯增强铝基复合材料的制备方法石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要包括机械合金化、粉末冶金、湿法涂覆、化学气相沉积以及熔体混合等几种方法。
机械合金化是其中一种常用的方法，通过球磨或挤压将石墨烯与铝粉进行混合，使二者在微观层面有所聚集和弥散，从而增加界面结合强度。
石墨烯材料在化学催化中的应用研究
石墨烯材料在化学催化中的应用研究石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体结构，具有出色的导电性和热导性，被广泛认为是一种具有巨大应用潜力的材料。
在过去的几年里，石墨烯在化学催化领域引起了广泛的关注和研究。
本文将探讨石墨烯材料在化学催化中的应用研究。
首先，石墨烯作为一种催化剂载体具有独特的优势。
由于其高度可调控的结构和表面特性，石墨烯可以作为催化剂的载体，提供更大的活性表面积和更好的反应条件。
石墨烯的高度导电性和热导性还可以促进反应的进行和传递，提高催化剂的效率。
因此，石墨烯被广泛应用于各种催化反应中，如氧气还原反应、氢氧化反应等。
其次，石墨烯本身也具有良好的催化性能。
石墨烯的特殊结构使其具有丰富的活性位点和较大的表面积，这些特性使得石墨烯具有出色的催化性能。
石墨烯可以用作催化剂，催化各种有机反应，如氧化、还原、羰基化等。
此外，石墨烯还可以通过调控其结构和表面性质来改变其催化性能，进一步提高其催化活性和选择性。
另外，石墨烯的复合材料也在化学催化中发挥着重要作用。
通过将石墨烯与其他材料进行复合，可以进一步提高催化剂的性能。
例如，石墨烯与金属纳米颗粒的复合材料可以用作高效的催化剂，用于氧化还原反应和有机合成等。
石墨烯与金属氧化物的复合材料也被广泛应用于催化氧化反应和光催化反应中。
这些复合材料不仅具有石墨烯的导电性和热导性，还具有其他材料的特性，从而实现了催化剂性能的进一步提升。
此外，石墨烯还可以通过功能化改性来增强其催化性能。
通过在石墨烯表面引入不同的官能团，可以调控其化学性质和表面活性，从而实现对催化反应的调控。
例如，将石墨烯与氮掺杂剂功能化，可以提高其催化氧还原反应的活性和选择性。
将石墨烯与硫掺杂剂功能化，则可以用于催化氢氧化反应等。
这些功能化改性的石墨烯材料在化学催化中具有广阔的应用前景。
总之，石墨烯材料在化学催化中具有广泛的应用潜力。
作为催化剂载体、催化剂本身或复合材料的组成部分，石墨烯都能够发挥出色的催化性能。
石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展
石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，其独特的物理和化学性质引起了全球科研人员的广泛关注。
石墨烯以其超高的电导率、热导率、强度以及优良的摩擦学性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
特别是在摩擦学领域，石墨烯及其基复合润滑材料的研究，对于提高机械部件的运行效率、降低能耗、延长使用寿命等方面具有深远的意义。
本文旨在全面综述近年来石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展。
我们将从石墨烯的基本性质出发，深入探讨其摩擦学特性，包括摩擦系数、磨损率等关键指标。
随后，我们将重点介绍石墨烯基复合润滑材料的制备工艺、性能优化及其在实际应用中的表现。
本文还将对石墨烯在摩擦学领域的未来研究方向和应用前景进行展望，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启示。
二、石墨烯的摩擦学特性石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自其被发现以来，便因其独特的物理和化学性质引起了摩擦学领域的广泛关注。
石墨烯的摩擦学特性主要表现在其超常的力学性能和极低的摩擦系数上。
石墨烯的力学性能卓越，其杨氏模量高达0 TPa，抗拉强度约为130 GPa，这使得石墨烯在承受压力时表现出极高的稳定性。
因此，在摩擦过程中，石墨烯可以作为有效的承载层，减少摩擦界面的磨损。
石墨烯具有极低的摩擦系数。
研究表明，石墨烯在多种材料表面上的摩擦系数都低于1，甚至在某些条件下可以达到超低摩擦状态。
这种低摩擦特性使得石墨烯在润滑材料领域具有巨大的应用潜力。
石墨烯还具有出色的热稳定性和化学稳定性，这使得它在高温、高湿、高腐蚀等恶劣环境下仍能保持稳定的摩擦性能。
因此，石墨烯不仅可以在常规条件下作为润滑材料使用，还可以在极端条件下发挥出色的润滑效果。
然而，尽管石墨烯具有诸多优点，但在摩擦学应用中也存在一些挑战。
例如，石墨烯的层间剪切强度较低，容易在摩擦过程中发生滑移，导致摩擦系数的波动。
石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展
石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有极高的强度、导电性和导热性，并且具有非凡的物理和化学性质。
自2004年以来，石墨烯的相关研究一直是材料科学领域中最具活力和发展潜力的研究之一。
本文将就石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展进行探讨。
一、石墨烯的物理性质1.导电性石墨烯具有出色的导电性，是迄今为止最佳的导电材料之一。
由于本构结构的特殊性质，石墨烯具有强大的电子传输能力，使其能够实现高速电子传输，并在电子器件中发挥重要作用。
2.强度和刚度石墨烯是一种具有极高强度和刚度的材料。
其平均强度是钢铁的200倍，因此具有非常高的抗压和抗拉能力。
这些特性使它成为未来材料发展领域的热点之一。
3.热导率石墨烯具有极高的热导率，是钻石的几倍，挑战了经典Fourier热传导定律，该定律无法解释石墨烯非常显著的热导率。
这使得石墨烯成为热传导性能研究的热点对象。
二、石墨烯的化学性质1.化学反应性石墨烯在氧化、硝化、氢化等化学反应中表现出良好的反应性。
例如，氧化后的石墨烯可以制成石墨烯氧化物，具有比石墨烯更好的导电性和导热性，并有望在透明导电膜、电存储器以及生物传感器等领域得到广泛应用。
2.表面功能化石墨烯表面的化学修饰可以改变其表面特性，如润湿性、分散性和反应活性，增强其化学可用性。
例如，将石墨烯表面修饰为羟基、胺基、硫基等功能化基团后，能够制备出更优异的光催化材料，并在光催化分解有机污染物等方面有着广泛应用。
三、石墨烯的应用前景1.电子器件由于石墨烯具有卓越的导电性能，所以它被广泛应用于电子器件领域。
例如，石墨烯晶体管、柔性电子器件、透明导电膜等都是石墨烯电子器件的典型应用之一。
2.能源材料石墨烯在能源材料领域的应用十分广泛，如锂离子电池、超级电容器、电催化等。
例如，石墨烯锂离子电池的电极材料可以大大提高电池的能量密度和循环性能，在电动车、移动设备等方面得到广泛应用。
3.光电材料石墨烯在光电材料领域的应用也越来越受到关注，如光催化材料、透明导电膜、光电探测器等。
硅烷功能化石墨烯的研究进展
1 硅烷共价键功能化石墨烯
石墨烯的共价修饰是基于氧化石墨烯边缘含 有羧基，石墨烯结构内部含有环氧基、羟基等活 性官能团实现的。因此可以利用多种化学反应， 在石墨烯表面引入许多具备特定功能的物质，进 一步功能化石墨烯。
Y. Zhang 等人研究了硅烷功能化石墨烯含 量对硅橡胶机械性能的影响，进一步探究了改性 石墨烯对硅橡胶机械性能的增强机理。结果表 明，功能化石墨烯在硅橡胶中的质量分数为 3% 时，其杨氏模量提高了 71%［9］。硅烷功能化石 墨烯通过共价键可与硅橡胶键接，提高了石墨烯 在硅橡胶中的分散性和稳定性，解决了石墨烯与 硅橡胶的不相容性问题。另外，KH 550 改性的 氧化石墨烯在与聚氯乙烯共混时，在一定程度上 增强了石墨烯片在聚氯乙烯基体树脂中的分散 性，提高了 聚 氯 乙 烯 材 料 的 阻 燃 性 和 热 稳 定 性［10］。
H. F. Yang 等人利用 γ －氨丙基三乙氧基硅 烷 （ KH 550） 与氧化石墨烯表面的环氧基和羟 基等官能团进行反应，得到了硅烷共价修饰的石
墨烯 （ 图 1） ，提高了石墨烯在有机溶剂以及在 聚合物基质中的分散性。该功能化石墨烯在硅树 脂中的质量分数为 0. 1% 时，硅树脂的压缩强度 与韧性分别提高了 19. 9%与 92%［8］。
摘要： 结合目前国内外的研究现状，从硅烷共价键功能化法与硅烷非共价键功能化法两个方面，综述 了硅烷功能化石墨烯的研究进展和重要研究结果，并对硅烷功能化石墨烯的发展作了展望与预测。
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。
石墨烯在聚合物改性中的研究进展
石墨烯在聚合物改性中的研究进展一、石墨烯的结构特点石墨烯是由一层层的碳原子按照六角形的结构排列而成，形成了具有二维结构的材料。
石墨烯的晶格结构非常稳定，同时也呈现出了许多独特的性质。
石墨烯具有极高的导电性和热导性，是现有材料中最好的导电材料之一；石墨烯具有超高的拉伸强度和模量，是目前已知的最强硬的材料之一；石墨烯还具有极大的比表面积，对气体、溶液中的分子具有很强的吸附能力。
这些独特的结构特点赋予了石墨烯在聚合物改性中独特的优势和应用价值。
二、聚合物改性的技术手段1. 石墨烯增强聚合物复合材料的制备2. 石墨烯改性聚合物的界面调控石墨烯与聚合物之间的界面相互作用对于复合材料的性能起着至关重要的作用。
研究人员通过对石墨烯进行化学修饰，改善了石墨烯与聚合物的相容性，使其能够更好地与聚合物基体相互作用。
也有研究表明，通过在石墨烯表面引入功能化基团，可以提高石墨烯与聚合物的结合强度和界面附着力，从而有效地提升复合材料的性能。
3. 石墨烯的多功能应用除了作为填料材料外，石墨烯本身也具有多种功能，如光学、电磁、生物等功能。
研究人员还将石墨烯与其他功能性材料相结合，制备出了具有多种功能的石墨烯复合材料，如石墨烯纳米复合薄膜、石墨烯导电材料、石墨烯生物医用材料等。
这些多功能复合材料在光电子器件、生物医学领域等方面都具有广阔的应用前景。
四、研究现状及展望目前，石墨烯在聚合物改性领域的研究已经取得了许多重要的成果，但也面临着一些挑战。
石墨烯的制备和处理技术仍然比较复杂和昂贵，需要进一步降低成本，提高产量；石墨烯与聚合物的界面相容性和相互作用机制还不够清晰，需要进一步深入研究；石墨烯在复合材料中的应用还存在一些问题，如在工程应用中的大规模制备、稳定性和耐久性等方面需要进一步完善。
展望未来，随着石墨烯在聚合物改性中的研究逐渐深入，相信石墨烯基聚合物复合材料将会得到进一步的发展和应用。
未来的研究方向主要包括：石墨烯的大规模制备技术、石墨烯与聚合物的界面调控技术、石墨烯复合材料的性能优化等方面。
功能化石墨烯的制备及应用
功能化石墨烯的制备及应用石墨烯是一种由碳原子组成的一层厚的二维结构材料，具有高导电性、高导热性、超高比表面积、良好的机械性能和化学稳定性等优异特性，因而成为材料领域研究的热点和前沿。
为了实现石墨烯的工业化应用，需要针对其性质进行各种功能化修饰。
因此，本文将着重讨论以石墨烯为原材料的功能化修饰技术和应用。
一、石墨烯的制备技术石墨烯的制备技术可以分为机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法、物理气相沉积法和氧化石墨烯还原法等多种方法，其中机械剥离法和化学气相沉积法的应用最为广泛。
机械剥离法是将石墨材料通过力学剥离的方式制备石墨烯。
这种方法成本低廉，制备出的石墨烯品质较好，但是缺点也很明显，即杂质杂质多，生产成本高。
化学气相沉积法是利用金属或者金属化合物的催化作用，在高温的条件下将碳源分子分解产生石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量较好，生产效率也比较高，但是都要在特定高温高压及真空的条件下进行，对设备和技术要求较高。
二、石墨烯的功能化修饰技术石墨烯的功能化修饰主要是指针对石墨烯表面进行不同的化学修饰，以改变石墨烯的物理、化学性质。
主要包括氧化、还原、功能化、掺杂等多种方法。
1. 氧化石墨烯：将石墨烯表面的碳与氧作用结合，形成氧化石墨烯。
石墨烯的氧化可以在其表面形成和羟基、羧基、酮基等官能团，可以提高石墨烯与其他化学物质的响应性，也降低了其电导率。
氧化石墨烯的制备简单，但是对于石墨烯的电导性能和结构有一定的影响。
2. 还原石墨烯：将氧化石墨烯进行还原，可以恢复石墨烯的电学性质。
还原石墨烯还可以在石墨烯表面引入被还原的杂原子，进而实现对石墨烯各种性质的修饰。
3. 功能化石墨烯：通过引入不同的官能团和分子可以实现石墨烯的功能化。
功能化的目的是在石墨烯的表表面引入各种化学结构，改变石墨烯的性质，如增强机械性能、改变热学性质等。
常用官能团有COOH、OH、NH2等。
4. 掺杂石墨烯：通过引入异型原子或者化合物到石墨烯中实现对石墨烯的掺杂修饰，进而改变其电学性质、光学性质、磁学性质等。
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丙酮 / 水或者 N， N－ 分散在体积比为 9∶ 1 的乙醇 / 水、 利用异氰酸酯和氧 二甲基甲酰胺 / 水的混合溶剂中。且功能化石墨烯的 无序度增加， 层间距也比功能化氧化石墨烯的缩小 了。反应过程如图 2 。 这种方法在石墨烯上引入的各种反应性基团仍 然保持化学反应活性， 可以使功能化石墨烯进行进一 步的化学改性。所得功能化石墨烯具有分散的单片结 这种方 构和优良的溶剂分散性以及可加工性。同样， 法也可以拓展到合成其他多种类型的功能化石墨烯。
收稿日期： 2013 － 06 － 24 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 批准号： 21276152 ） 作者简介： 吕生华（ 1963 ～ ） ， 男， 博导， 教授， 研究方向： 有机聚合物复合材料的研究， E － mail： Ivsh@ sust． edu． cn。
— 35 —
No． 8 论文综述 《Reviews》 化工时刊 2013. Vol. 27 ，
［9 ］
以六甲基二异氰酸酯（ HMDI ） 为偶联剂， 通过
与氧化石墨烯中的羟基和羧基等反应形成酰胺基或 氨基甲酸酯键在石墨烯表面引入活性基团， 然后与乳 化剂 T － 80 中的羟基反应， 即得到双亲氧化石墨烯， 在水、 氯仿和己烷等溶剂中均可稳定分散， 并且解决 了异氰酸根有剧毒的问题。 异氰酸酯与石墨烯反应 机理如图 1 。
石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有较好的溶 解性， 但由于含氧官能团的引入， 破坏了石墨烯的大 使其导电性及其他性能显著降低， 为了 π 共轭结构， 在功能化的同时尽量保证石墨烯的本征性质， Samulski［5］等采用硼氢化钠还原氧化石墨烯， 然后进行磺 化， 最后再用肼除去剩余的含氧官能团， 得到了磺酸 基功能化的石墨烯。磺酸基的引入， 使得功能化的石 墨烯不仅导电性（ 1250s / m ） 高， 而且水溶性、 分散稳 定性和表面活性大大提高。 而后， Zhao 等［10］ 根据上 述的 Samulski［5］报道的方法制得磺化改性的石墨烯， 并对其从水溶液中吸附有机芳香化合物的能力进行 了研究， 结果表明磺化石墨烯对萘和 1 － 萘酚的吸附 能力达到 2． 3 － 2． 4retool g · － 1 ， 这是已报道纳米材 料中的最高值， 对环境污染处理意义重大 。 通过 γ － 甲基丙烯酰氧丙基三甲氧 基硅烷（ KH － 570 ） 上的硅氧烷与氧化石墨烯上的羟 基反应， 得到功能化氧化石墨烯， 然后在水合肼的作 用下制备了功能化石墨烯， 经超声处理后， 能稳定的 — 36 — 马文石等
化工时刊 Vol． 第 27 卷第 8 期 27 ， No． 8 2013 年 8 月 Chemical Industry Times Aug． 8． 2013 doi： 10． 3969 / j． issn． 1002 － 154X． 2013． 08． 012
石墨烯的功能化研究进展
吕生华 刘晶晶 崔亚亚 杨文强
（ 陕西科技大学资源与环境学院 皮革化学与工程， 陕西 西安 710021 ）
摘 要 目前石墨烯的功能化研究成为了国内外的研究热点， 综述了石墨烯的共价键功能化和非共价键功能化研究 石墨烯 功能化 共价键功能化 非共价键功能化
的最新进展和重要研究结果， 并对石墨烯功能化的发展做了展望和预测 。 关键词
Schematic diagram of reaction mechanism of isocyanate and graphite oxide
化， 它可以在较低功能化程度上引入长的聚合物链而 辅助其分散［12］。 目前， 石墨烯的聚合物共价键功能 化主要可分为两种： 发散法 （ graft － from ） 和 收 敛 法 （ graft － to） ， 收敛法是通过聚合物上反应性官能团与 石墨烯上的官能团反应实现的［13］。 发散法是通过键 接在石墨烯表面的引发剂引发单体聚合， 在石墨烯表 面接枝聚合物， 由于接枝聚合物对小分子单体扩散影 响小， 接枝密度取决于石墨烯表面的引发剂的量［14］。 1． 2． 1 发散法 这种方法主要是通过键接在石墨烯表面的引发 剂引发单体聚合， 在石墨烯或者氧化石墨烯的表面或 者边缘部位发生接枝聚合。 氧化石墨烯的聚合物共 价键功能化方法中运用最多的是原子转移自由基聚 合（ ATRP） 。ATRP 是一种快引发的聚合方法， 并且 能够在静止的和增长的自由基间形成动态平衡， 其终 端的烷基卤化物可以通过传统的有机合成转化为各 种功能化的聚合物。 Lee 等［14］以 2 － 溴 － 2 － 甲基丙酰溴（ BMPB ） 为 ATRP 引发剂， 在氧化石墨烯的表面引发苯乙烯、 甲 基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯的反应。 使得 BMPB 中
Stankovich S、 Piner R D 等
［4 ］
化石墨烯上的羟基和羧基反应， 制备出了一系列异氰 酸酯功能化的石墨烯， 可以在 N， N － 二甲基甲酰胺 （ DMF） 等多种极性非质子溶剂中均匀稳定分散。 这 种方法对反应条件要求不高、 操作简单且反应效率 高， 但异氰酸酯为剧毒物质， 限制了其应用范围 。 李 宁等
图2 Fig 2 1． 2 图1 Fig 1 异氰酸酯与石墨烯反应机理
KH － 570 与氧化石墨烯的反应示意图 Schematic diagram of reaction principle of KH － 570 and graphite oxide
聚合物共价键功能化 聚合物同样可以作为改性剂对石墨烯进行功能
important research results of covalent bond functionalization and non － covalent bond functionalization of graphene were summaried here． Meanwhile the latest development trends of the functionalization of graphene was pointed out as well． Keywords graphene functionalization covalent functionalization non － covalent functionalization
2004 年， 英国曼彻斯特大学的物理学家 Andrew Geim 和 Konstantin Novoselov 从普通石墨中发现了石 墨烯 ， 并因此获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖， 随 之在世界范围内形成了研究石墨烯的热潮 。 其实引 起人们关注的还主要是石墨烯所具有的独特性能， 如 超高的强度、 超大比表面积、 超强的传热导电等性能。 目前， 在石墨烯的研究中有关石墨烯表面的化学改性 是主要的研究方向之一。 尽管由完整六元环构成的 石墨烯是人们希望得到的石墨烯的结构， 但是这样的 石墨烯在应用过程中却存在着许多难以解决的问题， 如结构完整的石墨烯的化学稳定性较高， 不亲水， 与 其他介质的相互作用弱， 且石墨烯片层之间有较强的 范德华力， 容易产生聚集， 使其成为纳米片层的分散 极其困难， 因此限制了石墨烯的应用 。这些问题可以 通过对石墨烯表面进行有效可控的功能化来解决 。 石墨烯的功能化主要通过对石墨烯表面进行改性， 增 加活性基因， 提高亲水性， 降低片层之间的作用力， 达 到容易分离分散成纳米级别的石墨烯片层 。 目前采
［1 ］
用的功能化的途径主要通过对石墨烯表面进行改性， 采用的主要方法有共价键功能化和非共价键功能化 。 本文将重点介绍近些年在共价键功能化和非共价键 功能化改性方面的研究进展， 并对其今后的研究方向 做了预测。
1
石墨烯的共价键功能化
石墨烯的共价键功能化是目前研究最为广泛的
功能化方法。虽然石墨烯的主体是稳定的苯六元环 结构， 但其边缘及缺陷部位有较高的活性， 经氧化后 的石墨烯表面含有大量的活性环氧基团， 如羟基 、 羧 基等， 因此可以利用多种化学反应对其进行共价键改 性。从所用的改性剂可以将共价键功能化分为有机 小分子共价键功能化和聚合物共价键功能化 。 1． 1 小分子 氧化石墨烯表面羟基［2］、 环氧基的亲核开环反应［3］、 异氰酸酯化反应［4］、 共轭平面的重氮化［5］、 环加成反
［11 ］
吕生华 等 石墨烯的功能化研究进展 2013. Vol. 27 ， No． 8 化工时刊 的酰基溴与氧化石墨烯表面的羟基发生类酯化反应， 如 图 3。该方法得到的氧化石墨烯在 N － N － 二甲基甲酰 胺、 甲苯、 氯仿、 和二氯甲烷中具有稳定的分散性。 化聚合物提供了独到见解。 闫家林等［17］采用乙二胺和己二胺接枝改性制备 氨基功能化石墨烯， 氨基化程度较高， 每 9 － 10 个碳 原子中就有一个参与氨基化反应。 这种方法会使功 能化石墨烯的热稳定性明显提高， 但在 DMF 中的稳 定分散性却会变差。桑泳等［18］通过重氮盐加成反应 在石墨烯表面共价接枝聚 3 － 己基噻吩。 石墨烯表 面引入溴苯官能团， 锚固催化剂 Ni（ PPh3 ） 4 在石墨烯 表面， 通过 Kumada 催化 － 转移缩聚反应在石墨烯表 面生长聚合物分子刷。 这部分主要概述了聚合物在氧化石墨烯和石墨 烯表面原位生长的方法。 这些方法表明聚合物在石 墨烯表面的原位生长不会受到石墨烯片层间位阻作 用的限制， 通过这种方法可以得到高相对分子质量的 聚合物， 且对石墨烯的机械性能都有显著提高 。这种 方法对聚合物的可控性较强， 但接枝度较低 。 1． 2． 2 图 3 在 APRT 引发下苯乙烯对氧化石墨烯改性反应 Fig 3 Modified graphite oxide with styrene using APRT intiation 为了扩展氧化石墨烯的应用， Lee 等还用苯乙烯对氧 化石墨烯进行了功能化， 制备出了一种韧性很好的大 孔碳膜。将制备的氧化石墨烯分散在苯中， 取适量在 潮湿的空气中成膜。 作者认为膜的空隙大小可以通 过溶液的浓度和苯乙烯接枝到氧化石墨烯表面的链 长来决定。 Ye 等［15］利用硼氢化钠还原氧化石墨烯后， 在过 氧化苯甲酰（ BPO） 作用下与苯乙烯和丙烯酰胺进行 化学共聚， 通过原位活性自由基聚合， 获得了聚苯乙 烯 － 聚丙烯酰胺（ PS － PAM ） 嵌段共聚物功能化的石 墨烯， 进一步改善了石墨烯的溶解性， 得到了具有两 亲性的石墨烯。且 PS － PAM 功能化的石墨烯可以作 为添加物， 在多种聚合物中均匀分散， 扩宽了石墨烯 的应用领域。 Tang 等