固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

石墨烯由于具有独特的物理性质，一直是近年来的研究热点。随着对石墨烯研究的深入，石墨烯的化学性质也逐渐受到研究学者的重视。但是，石墨烯很难在一般的溶剂中很好分散，缺乏适用于传统化学方法的样品，所以很难采用常规液相技术对石墨烯化学性质展开深入研究。由于氧化石墨烯(GO)在水等极性溶剂中具有良好的分散性，至今为止，大部分研究工作主要集中在氧化石墨烯化学性质的研究上。本论文在总结前人工作的基础上，以氧化石墨烯为主要研究对象， 进一步探索其化学性质，发掘其潜在的应用领域。 主要研究内容和结论如下：

1. 大自然贝壳和鱼鳞具有特殊的润湿性能，在结构上表现出独特的无机纳米片和蛋白质组装构成的“砖泥”结构。基于此灵感，我们采用改进的Hummers方法制备了具有典型层状结构的氧化石墨烯，其二维平面具有很强吸附水分子的能力，表现出优异的亲水性。采用吸附方法，将氧化石墨烯包覆在不锈钢网表面，干燥后，得到稳定性良好的氧化石墨烯包覆的不锈钢网。氧化石墨烯包覆层的存在大大改变了原始不锈钢网的润湿性质，即氧化石墨烯包覆的不锈钢网相比原始的不锈钢网具有更好的亲水性，并且表现出水中超疏油特性。这种具有水、油完全相反润湿效果的氧化石墨烯包覆的不锈钢网可成功应用于油水分离。

2. 氧化石墨烯上含有丰富的含氧官能团(如羟基，羧基)，这些含氧官能团与金属离子具有很强的配位能力。我们将三价铁离子通过配位形式固载在氧化石墨烯二维平面上，制备出一种新的材料——铁配位的氧化石墨烯(GO-Fe)，并且通过大量表征技术综合证实了这点。在可见光照下，GO-Fe能够有效地活化双氧水，生成具有极强氧化性的羟基自由基，从而催化氧化各种有机物，其催化动力学类似于常规的均相催化反应，其催化活性不受反应物和生成物在GO-Fe二维平面吸脱附的影响。另外，GO-Fe能够通过简单的离心或是过滤从反应体系中分离出来，而且循环使用多次后仍保持一定的稳定性。所以，GO-Fe既具有均相催化剂的特点，又展现出异相催化剂的优势，这主要归功于它微米尺寸及其原子厚度的结构特征。

3. 制备了四种石墨烯及其衍生物，包括无缺陷石墨烯、低氧石墨烯、氧化石墨烯和GO-Fe，并且证实了它们均具有一定的类过氧化氢酶活性。研究揭示了它们的类过氧化氢酶活性并不来源于它们自身结构中所含有的非金属杂原子，而是来源于石墨烯及其衍生物中痕量铁元素。我们通过实验证实了石墨烯及其衍生物中含有的痕量铁元素在其类过氧化氢酶活性中扮演的重要角色。另外，基于此发现，我们将饱和的铁原子掺杂到氧化石墨烯的二维平面上，大大提高了氧化石墨烯的类过氧化氢酶活性， 由于过氧化氢酶底物的显色反应速率在一定范围内与双氧水的浓度成线性关系，该方法应用于双氧水和葡萄糖的定量检测。

4. 介绍了一种制备低氧石墨烯的可行方法，并且详细地研究了低氧石墨烯的剥离规律及其在各种溶剂中的分散性。 研究结果表明低含量氧的引入不仅可以使低氧石墨烯保持相当的导电率，还很大程度上改变了其剥离规律，使低氧石墨烯在大部分极性溶剂中都具有很好的分散性，包括一些常规的溶剂水和甲醇等。这些优势均有利于低氧石墨烯采用常规溶剂手段即可制备透明的导电薄膜以及快充放电电容器。相比氧化石墨烯，低氧石墨烯还具有其他明显的重要优势，比如更好的化学和热稳定性，制备得到的透明薄膜具有更高的导电率，其能带有效打开，表现出出色的电化学容量等。