環氧基功能化

　　氧化石墨烯上的環氧基功能化最常見的與帶氨基或巰基的有機分子發生親核開環反應.Shi等氧化還原高度可逆、穩定的有機小分子——2-氨基蒽醌(AAQ),通過氧化石墨烯上環氧官能團的開環反應將AAQ的氨基共價接枝到氧化石墨烯片上,合成得到蒽醌修飾的氧化石墨烯(簡稱AQGO).之后將AQGO還原、組裝得到AAQ修飾化學轉化石墨烯(CCG)/未修飾CCG的復合物多孔水凝膠(簡稱AQSGH)電容器.

　　元素分析結果表明,AQGO的含氮量為1.1wt%,C/N原子個數比約為55∶1.由于AAQ本身的C/N比為14∶1,因此平均41個氧化石墨烯碳原子接枝一個AAQ分子,接枝率相當高,AAQ殘基在AQGO中的含量為17.5%.XRD測試結果顯示,AQGO層間距(0.907nm)明顯大于氧化石墨烯(0.798nm),而且半峰寬增加,表明片層之間的排列由于AAQ的共價接枝變得更加松散.經AFM表征,AQGO的厚度約為1.2nm,略大于未修飾的單層氧化石墨烯,仍為單層結構.石墨烯以及其自組裝水凝膠的片層結構作為AAQ的基體,提供了高接枝率、良好導電性以及穩固的力學支撐.

　　Mao等利用表面的環氧基團與巰基乙胺發生開環反應,首先得到巰基功能化的石墨烯,然后通過巰基與金電極表面形成金-硫鍵,從而實現對汞離子的檢測,如圖15所示.Swager等用丙二腈陰離子和氧化石墨烯作用,在丙二腈陰離子的進攻下,環氧基開環,一端接上羥基,另一端接上丙二腈.當用丙二腈磺酸鹽試劑和氧化石墨烯反應時,由于磺酸鹽的強親水性,得到的功能化石墨烯在水中分散性很好.基于環氧基的親核反應提供了一種簡單的制備改性石墨烯材料的方法,有著潛在的應用前景.

　　元素摻雜改性

　　通過共價鍵、非共價鍵連接引入新的基團能賦予石墨烯一些優異性能.另一種功能化改性方法是對石墨烯進行元素摻雜改性.通常采用退火熱處理、離子轟擊、電弧放電法等手段在石墨烯中摻入不同的元素,從而在石墨烯中形成取代缺陷、空位缺陷,保持石墨烯本征二維結構不變的同時其表面特性發生改變而賦予新的性能.Duan等采用熱退火處理石墨烯和硝酸銨方法制備了6.54at.%氮含量摻雜的石墨烯,其催化苯酚氧化降解的效率是未摻雜的5.4倍,還研究了B、P或N摻雜石墨烯的協同效應.Dai等將氧化石墨烯在NH3的氣氛中進行升溫熱處理,獲得不同含氮量的n型氮摻雜石墨烯.溫度在300℃和1100℃之間變化時,氮摻雜含量約為3%～5%,其中500℃時,氮摻雜含量達到最大值5%.Jafari等用HotFilament化學氣相沉積法通過氧化硼粉末與乙醇蒸汽在石墨烯表面摻入B,硼摻雜的石墨烯器件能用于NO和NO2等有毒氣體的檢測.元素摻雜石墨烯能有效地改變石墨烯的能帶結構,便于開發新型功能化石墨烯電子器件.