氧化石墨烯的化学还原方法与机理研究进展

发布时间：2021-05-31 21:10

　　石墨烯物理性能优异,自被发现以来迅速引起了国内外研究者的广泛关注。石墨烯的批量生产是实现石墨烯材料应用的前提,由于氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团,便于化学改性,生产成本低、可规模化生产,化学还原氧化石墨烯成为目前大批量制备石墨烯材料最常用的方法之一。至今已经有数十种化学还原氧化石墨烯的方法被报道,还原效果千差万别,还原机理也尚未定论。本文梳理了氧化石墨烯的主要化学还原方法,从关键反应基团的角度进行了归纳总结,论述了它们的优缺点;分析了多种氧化石墨烯的还原机理,提出氧化石墨烯化学还原的本质是羟基还原同时形成碳碳双键的过程。 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(07)北大核心EICSCD

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【部分图文】：

肼还原氧化石墨烯机理[29]

氨基酸是一类绿色环保的氧化石墨烯还原剂,2009年,Zhang团队[43]使用维生素C和色氨酸一起还原氧化石墨烯。2011年,Guo团队[44]单独使用氨基酸(半胱氨酸)对氧化石墨烯进行了还原。随后,甘氨酸[45]、赖氨酸[46]、天冬氨酸[47]、缬氨酸[47]、丙氨酸[48]、谷胱甘肽[49]等陆续被开发出来。由于色氨酸含有富电子的芳香结构、半胱氨酸含有巯基,它们对氧化石墨烯的还原不能表明氨基酸类物质作为还原剂的普适性。2014年,Tran等[47]研究了结构简单,不含芳香环、巯基的天冬氨酸和缬氨酸对氧化石墨烯的还原,证实了氨基酸类化合物普遍具有还原氧化石墨烯的能力。Tran等提出氨基酸的还原机理如图4[47]所示:氨基亲核进攻环氧并将其打开,形成一个羟基;然后另一个氨基酸取代羟基;最终两个氨基以R—NH—NH—R的形式消除,形成新的双键。该机理第三步存在争议,两个C—NHR单键需要很高的活化能才能断裂使该反应完成。图4 氨基酸还原氧化石墨烯的机理[47]

图3 乙二胺还原氧化石墨烯的机理[42]氨基酸类还原剂的优势是绿色无毒(低毒),它们的还原能力整体弱于N2H4,其中甘氨酸的还原能力最好,C/O比可以达到11.14。氨基酸还原氧化石墨烯后,会有3%～4%的氮原子留在石墨烯结构中,这一点与N2H4、NH3、多巴胺[50]、胺类等含氮化合物相似。


本文编号：3208981