1.3 氧化石墨烯的结构与性能

1.3.1 氧化石墨烯的结构

氧化石墨烯作为石墨烯的一种重要衍生物，阐明其化学结构极为重要，但是有关其化学结构的争论从未停止。不同于石墨烯及其他大分子，氧化石墨烯受制备工艺的影响，没有恒定的化学计量数，同时又缺乏对其结构精细的表征手段，使得其化学结构难以确定。尽管如此，研究人员还是通过实验结果与理论模型结合的方法，不断加深对氧化石墨烯结构的认识和理解。现有的结构模型主要包括早期的Hofmann模型、Ruess模型、Scholz-Boehm模型，到如今被普遍接受的Lerf-Klinowski模型 ^[37] 。其中，Lerf课题组利用固态核磁的手段对氧化石墨烯内部的化学结构进行了详细的表征，提出了著名的Lerf-Klinowski模型。如图1-15所示，氧化石墨烯表面的sp ² 碳原子被含氧官能团分割，不能形成连续的共轭网络；与此同时，大量含氧官能团的存在使得氧化石墨烯的层间距增大，从石墨烯的0.334nm增大到0.8～1.2nm。目前，广为接受的观念是氧化石墨烯含氧官能团主要包括羧基、羟基、环氧基和酯基。

1.3.2 氧化石墨烯的性能

大量含氧官能团的存在破坏了石墨烯本身的共轭网络结构，同时氧化作用在面内形成孔洞缺陷，导致氧化石墨烯并不具有导电性，且力学性能较单层石墨烯有明显的下降。Ruoff课题组测得单层氧化石墨烯的断裂强度为63GPa，约为石墨烯的一半。Gomez-Navarro等测得经化学还原的氧化石墨烯的杨氏模量可达0.25TGa，约为石墨烯的四分之一。结构的破坏还使得氧化石墨烯的热导率大大降低，低于10W/（m·K）。含氧官能团的存在降低了氧化石墨烯的物理性质，却极大地丰富了其化学性质。含氧官能团和共轭网络结构的共存使得氧化石墨烯表现出两亲性，既可以分散在水中，又可以分散于有机溶剂中，同时还能作为表面活性剂（图1-16）。常见的氧化石墨烯良溶剂包括水、 N,N -二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）、 N -甲基吡咯烷酮（NMP）等 ^[38] 。