氩气是氧化物吗(一文看懂石墨烯氧化物（氧化石墨烯）)

Posted 2023-05-30

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氩气是氧化物吗(一文看懂石墨烯氧化物（氧化石墨烯）)

什么是氧化石墨烯?

氧化石墨烯是一种由高度氧化的碳原子组成的二维纳米薄片，其边缘和基底平面上装饰着含氧官能团。

氧化石墨烯的属性

氧化石墨烯因其高表面积、功能性和二维(2D)片状结构而具有独特的性质。

它的高度氧化碳原子排列成蜂窝状六边形晶格。

单个薄片通常在X和Y方向上的宽度为纳米到微米。

单层氧化石墨烯的厚度一般为0.7-1.2纳米。

氧化石墨与氧化石墨烯的区别在于薄片的整体厚度。

超过10层的材料通常被认为是石墨，而不是石墨烯。

氧化石墨烯片的AFM图像

它很容易分散在水，聚合物，溶剂，使用超声波或高剪切方法，如均质机。

氧化石墨烯是电绝缘的，但它可以通过减少官能团来实现导电。还原过程除去了大部分表面功能，恢复了石墨烯晶格结构。

氧化石墨烯的分子结构

物理性质

如果不讨论氧化石墨烯的功能化，就无法讨论它的物理性质。氧化石墨烯通常有40%的氧基，包括OH、COOH和环氧基。这种物理特性使得石墨烯氧化物可以分散在Di水、NMP、DMF、THF、乙醇和其他极性溶剂中。氧化石墨烯是一种浅棕色(棕褐色)固体粉末，碳氧比在2.1和2.9之间。这些特性赋予了氧化石墨烯非凡的溶解性和优越的分散性能。单独的层保留了石墨的结构，但它们之间的间距更大且不规则。薄片通常是几百纳米到几十微米宽。

电子性质

尽管氧化石墨烯的电子性能无法与原始石墨烯(CVD或外延石墨烯)相比，但由于氧化导致的结构缺陷会破坏sp2键合网络。它可以用来提高氧化石墨烯的导电性，并为实际应用提供许多优势。此外，它可以搭配更导电的材料，以提高电导率。

光学性质

氧化石墨烯的光学特性使其成为一种光学透明材料。虽然不是完全透明的，但用不到5层厚度的氧化石墨烯薄膜可以达到90%以上的光学透明度。每一层石墨烯都会降低约2%的透明度。氧化石墨烯与碳纳米管或银纳米线结合可以制成透明导电油墨和薄膜。

热性能

石墨烯优异的热性能引起了人们极大的兴趣，这也是石墨烯被用于热管理应用的原因。单层石墨烯具有很高的导热系数，但数据显示，再增加一层石墨烯会大大降低其导热系数。层间距对导热系数有显著影响，即层数和层间距会降低整体导热系数。

在层间距相近的情况下，氧化石墨烯的导热系数高于块状石墨。增加层间间距和氧基的存在增强了声子散射。它的高导热性可以归因于由于氧原子提供的共价相互作用而增加的层间耦合。

氧化石墨烯热导率

热导率与(a)氧原子覆盖率的关系(红线与实心红方);

(b)氢原子(蓝线加实心蓝圈);

(c)模拟氧原子重量的质量缺陷(红线与开口红方);

(d)模拟氢原子重量的质量缺陷(蓝线与开蓝圆)。

插图展示了模拟的代表性结构。蓝球代表碳原子，红球代表氧原子和人工氧原子，蓝球代表氢原子和人工氢原子。

研究表明，氧化石墨烯的热导率与氧基的存在量直接相关。在0.5%的氧基下，氧化石墨烯的导热系数比原始石墨烯低约50%。随着氧含量的增加，它的导热系数降低。

氧化石墨烯的最小导热系数在期刊文章中约为8.8 W/mK，低于理论最小导热系数11.6 W/mK。这表明，我们可以通过控制氧化和还原来调整石墨烯氧化物的热输运。

机械性能

氧化石墨烯的机械性能远低于原始石墨烯。单层石墨烯氧化物低有效杨氏模量(207.6 ~ 23.4 GPa当使用厚度为0.7 nm)相比,“原始”石墨烯的报道价值~ 1.0 TPa的杨氏模量,~ 130 GPa的最终强度据李et al。氧化过程中形成的石墨结构缺陷降低了石墨的性能。还原氧化石墨烯可以改善其力学性能，恢复石墨化结构。

氧化石墨烯作用场景

氧化石墨烯在多种溶剂和聚合物中的高溶解度使其具有氧化石墨烯的溶液处理性能。它可以旋转，浸镀，或涂层到一个衬底使用槽模具，屏幕，凹印，或其他印刷方法。它可以用激光进行图形化和还原，甚至可以在个人电脑上使用DVD刻录机。

石墨烯氧化物的历史

碳的同素异形体

氧化石墨烯的历史可以追溯到150多年前!它最初被称为氧化石墨，1859年由牛津大学的化学家本杰明·布罗迪首先用氯酸钾和发烟的硝酸去角质石墨薄片来制备。William Hummers和Richard Offeman在1957年开发了Hummers方法，通过使用硫酸、硝酸钠和高锰酸钾，使生产过程更快、更安全。这个过程至今仍在使用，并做了一些修改，以尽量减少对环境和安全的影响。

合成方法

氧化石墨烯和石墨烯氧化物减少流程流

改进的Hummer法合成法通常是用高锰酸钾、过氧化氢、硫酸和盐酸等强氧化剂处理石墨，在化学过程中从石墨中得到氧化石墨。这种化学过程将石墨剥离成单个或少数的原子层片，扩展层间结构，增加官能团。

含氧官能团的类型和数量使氧化石墨烯亲水，这意味着它是水溶性的。氧化石墨烯最初被称为氧化石墨烯，其合成涉及到石墨与强氧化剂(通常是高锰酸钾和硫酸)发生反应，然后进行冲洗和离心，直到冲洗水滤液的PH值为中性。然后冷冻干燥以保持溶解性。

一些生产商甚至使用透析来净化氧化石墨烯。氧化石墨烯被合成过程中产生的碱盐副产物污染后，由于盐催化碳的燃烧，氧化石墨烯高度易燃。

常见的氧化石墨烯合成方法有四种:Staudenmaier、Hofmann、Brodie和Hummers。这些方法的变体是存在的，包括Tour方法，一种改进的hummers方法。它的合成被不断地研究和改进，以提供更一致的质量，减少环境问题，并降低成本。

氧化过程通常用碳氧比来评价，认为>40%是可以接受的。

石墨烯氧化物的用途

氧化石墨烯的应用

氧化石墨烯的应用领域包括催化、药物传递、太阳能、电池、组织支架、海水淡化等诸多领域。它的高溶解度和降低的能力使溶液处理成为可能，使其成为理想的纳米材料。氧化石墨烯克服了与其他碳纳米管相关的众所周知的分散问题。

电子应用

至少有一种材料是用氧化石墨烯作为起始材料来制造电子设备的。利用RGO以及化学传感器和生物传感器制作了场效应晶体管。可见范围内的透明电极对于发光二极管(LEDs & OLEDs)和太阳能电池设备非常重要。除了透明电极外，RGO还被用作空穴传输层。

能量存储应用程序

RGO纳米复合材料已被用于锂离子电池的高容量储能。电绝缘金属氧化物纳米颗粒，如Fe3O4或Fe2O3可以结合到RGO上，并提高其在电池中的性能。与纯Fe3O4相比，当Fe3O4与RGO成键时，能量存储容量和循环稳定性都有所提高。利用微波去角质合成了高表面积氧化石墨烯，可以降低氧化石墨烯的氧化能力。高表面积RGO也被用于超级电容器的储能材料。

生物医学应用

研究表明，氧化石墨烯具有良好的生物相容性，为其在药物传递中的应用奠定了基础。与碳纳米管(CNTa)等其他碳纳米材料不同，它的制备不需要金属催化剂，也不需要金属杂质，因此不会引起氧化应激。表面的官能团允许成功与各种各样的有机和无机分子共价,非共价(π-π或疏水)和/或离子的相互作用。这使得使用氧化石墨烯进行药物传递的应用成为可能。

结构

氧化石墨烯的二维层状结构

氧化石墨烯的二维结构如上所示。官能团的种类和数量使其具有比其他纳米材料更大的溶解性。表面活性剂不需要分散在极性溶剂中，如Di水，NMP, DMF, THF, DCB，乙醇，聚合物或其他。

分子量

氧化石墨烯的化学式和分子量如下。

化学公式: C140H42O20

分子量:2043.856 g/mol

还原石墨烯氧化物

还原氧化石墨烯按常规氧化石墨烯合成，然后还原。还原过程会去除表面的功能，并将分子结构还原为比氧化石墨烯更接近原始石墨烯的结构。还原通常是一个化学、热或电化学过程。其他技术可以生产出非常高质量的还原氧化石墨烯，类似于原始石墨烯，但它可能非常复杂，而且需要很长时间才能完成。

氧化石墨烯还原方法

用水合肼处理并将溶液保持在100c下24小时

暴露于氢等离子体

暴露在强脉冲光下(光烧结)，如氙气、紫外线或激光

在蒸馏水中以不同的温度加热不同的时间

在炉子里加热到很高的温度

直接用微波炉加热

电化学方法

在正在形成的气体环境中加热至400C(95%氩气，5%氢气)。化学还原是一种高度可扩展的方法，但其表面积和电导率通常不足以满足许多应用。

当加热温度超过1000℃时，RGO的表面积会非常大，但退火过程会在压力增大和释放二氧化碳时破坏结构。该还原工艺可使其质量降低约30%，并改善其电子性能。

电化学还原已被证明可以产生非常高质量的还原氧化石墨烯，在结构上与原始石墨烯几乎相同，但可能比其他方法慢。

RGO可以选择性功能化，增强其与溶剂/基质的相容性，或者在与其他二维材料结合时生成新的化合物。它的表面化学可以被调整以适应应用。

氧化石墨烯的价格

氧化石墨烯的价格由产量和提纯程度决定。大多数产品的价格在75-225美元/克之间，但有些产品的价格是450美元/克。

GO的保质期约为6个月后，功能开始下降，但它仍然可以使用更长的时间。可以把它放在冰箱里，可以有效减缓GO的功能衰退。

石墨烯与氧化石墨烯的区别

首先，我们必须确定什么是石墨烯或石墨。人们普遍认为，厚度小于10层的2D薄片可以被称为石墨烯。

如何选择石墨烯或氧化石墨烯?

如果你想要用电子性能来制作传感器或设备，或者改进机械性能，我们推荐使用CVD石墨烯(RGO)。

如果你想要良好的分散和溶液处理，我们建议使用普通的氧化石墨烯。

氧化石墨烯成膜

氧化石墨烯薄膜相对容易通过真空或压力过滤制成。众所周知，氧化石墨烯很容易分散，因为它表面有官能团。

首先我们分散在溶剂例如水或有机溶剂,然后使用0.2微米膜过滤器,将解决方案通过一个过滤装置,过滤使粒子上,而溶剂收集下面形成膜过滤器的顶部。干燥后，可将膜取下，留下像纸一样的薄膜产品。

文章转载自公众号：石墨烯雷达