氧化石墨烯基本原理與應(yīng)用

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本書(shū)參編
第1部分 基本原理
第1章 氧化石墨烯的沿革——從起源到石墨烯熱潮2
1.1引言2
1.2氧化石墨烯制備4
1.2.1改進(jìn)和簡(jiǎn)化氧化石墨烯制備的試驗(yàn)4
1.2.2石墨的過(guò)氧化6
1.2.3形成機(jī)理——首次近似7
1.3重要含氧官能團(tuán)的發(fā)現(xiàn)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展9
1.3.1石墨氧化物成分解析9
1.3.2 1930~2006年結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)造10
1.3.3形成機(jī)理的考慮——第二次近似14
1.4氧化石墨烯性質(zhì)16
1.4.1熱降解和它的產(chǎn)物16
1.4.2化學(xué)還原反應(yīng)17
1.4.3與酸和堿的反應(yīng)19
1.4.4“滲透膨脹”：水合作用和膠體形成19
1.4.5氧化石墨烯的酸性21
1.4.6插層和功能化反應(yīng)24
1.4.7官能團(tuán)以及它們對(duì)氧化石墨烯形成和破壞的反應(yīng)與關(guān)系25
1.5總結(jié)26
參考文獻(xiàn)27
第2章 氧化石墨烯的形成機(jī)理和化學(xué)結(jié)構(gòu)33
2.1引言33
2.2結(jié)構(gòu)的基本概念34
2.3制備方法35
2.4形成機(jī)理37
2.4.1理論研究和系統(tǒng)復(fù)雜性37
2.4.2第一步：階段1 H2SO4-GIC的形成38
2.4.3第二步：階段1 H2SO4-GIC轉(zhuǎn)化為PGO39
2.4.4 PGO結(jié)構(gòu)41
2.4.5第三步：PGO的剝離43
2.5與水接觸時(shí)PGO化學(xué)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變44
2.6化學(xué)結(jié)構(gòu)和酸性的起源46
2.6.1結(jié)構(gòu)模型和真實(shí)的結(jié)構(gòu)46
2.6.2酸性的來(lái)源和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型52
2.7缺陷密度和含氧功能化石墨烯59
2.7.1通過(guò)Charpy-Hummers方法含氧功能化石墨烯59
2.7.2從石墨硫酸含氧功能化石墨烯63
2.8應(yīng)對(duì)兩組分結(jié)構(gòu)模型的挑戰(zhàn)66
2.9塊狀氧化石墨的結(jié)構(gòu)70
2.10總結(jié)74
參考文獻(xiàn)74
第3章 表征技術(shù)78
3.1氧化石墨烯核磁共振譜78
3.1.1固態(tài)核磁共振譜78
3.1.2氧化石墨烯的核磁共振譜79
3.1.3討論85
3.2紅外譜86
3.3 X射線光電子能譜89
3.4拉曼譜92
3.4.1概述92
3.4.2分子的拉曼譜93
3.4.3石墨烯、GO和RGO的拉曼譜93
3.4.4石墨烯的缺陷95
3.4.5 GO 和RGO的拉曼譜98
3.4.6統(tǒng)計(jì)拉曼顯微鏡(SRM)100
3.4.7展望103
3.5顯微鏡方法103
3.5.1掃描電子顯微鏡103
3.5.2原子力顯微鏡104
3.5.3透射電子顯微鏡106
3.5.4高分辨率透射電子顯微鏡107
參考文獻(xiàn)110
第4章 氧化石墨烯分散體的流變性112
4.1氧化石墨烯分散體的液晶特性112
4.1.1液晶和Onsager理論112
4.1.2向列相碳納米材料112
4.2 GO液晶水系分散體的流變特性114
4.2.1動(dòng)態(tài)剪切特性115
4.2.2均勻剪切特性118
4.2.3結(jié)構(gòu)的恢復(fù)122
4.2.4調(diào)整GO分散體的流變性以實(shí)現(xiàn)可控制備123
4.2.5具有極大Kerr系數(shù)的電光開(kāi)關(guān)125
4.3與其他體系的比較127
4.3.1與含水聚合物基質(zhì)體系比較127
4.3.2 GO和氧化碳納米管水分散體的比較：維度的作用129
4.4總結(jié)和展望130
參考文獻(xiàn)131
第5章 氧化石墨烯的光學(xué)性質(zhì)135
5.1引言135
5.2吸收特性135
5.3拉曼散射140
5.4光致發(fā)光142
5.5氧化石墨烯的量子點(diǎn)153
5.6應(yīng)用154
參考文獻(xiàn)155
第6章 氧化石墨烯的功能化與還原160
6.1引言160
6.2氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)161
6.3氧化石墨烯的穩(wěn)定性163
6.3.1氧化石墨烯的熱穩(wěn)定性163
6.3.2氧化石墨烯在水溶液中的穩(wěn)定性及化學(xué)性質(zhì)163
6.3.3含氧功能化石墨烯的穩(wěn)定性166
6.4非共價(jià)化學(xué)反應(yīng)168
6.5共價(jià)鍵化學(xué)反應(yīng)170
6.5.1主要在平面上發(fā)生的反應(yīng)171
6.5.2平面上C-C鍵形成的認(rèn)識(shí)174
6.5.3邊緣處的反應(yīng)175
6.6氧化石墨烯的還原與歧化182
6.6.1還原182
6.6.2歧化作用185
6.6.3還原方法188
6.6.4含氧功能化石墨烯的還原190
6.7與還原氧化石墨烯的反應(yīng)193
6.8氧化石墨烯可控的化學(xué)性質(zhì)195
6.8.1多分散以及功能化石墨烯的命名196
6.8.2氧化石墨烯中的硫酸酯——熱重分析197
6.8.3含氧功能化石墨烯的合成修飾197
6.9討論203
參考文獻(xiàn)204
第2部分 應(yīng)用
第7章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器與透明導(dǎo)電膜212
7.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管212
7.2傳感器216
7.2.1氣體傳感器217
7.2.2濕度傳感器217
7.2.3生物傳感器220
7.3還原氧化石墨烯透明導(dǎo)電膜221
7.4基于氧化石墨烯的憶阻器224
7.4.1器件的制備225
7.4.2轉(zhuǎn)換機(jī)理226
參考文獻(xiàn)228
第8章 能量收集及存儲(chǔ)235
8.1太陽(yáng)電池235
8.2鋰離子電池236
8.2.1概述236
8.2.2電化學(xué)原理236
8.2.3負(fù)極應(yīng)用239
8.2.4正極應(yīng)用247
8.2.5新興應(yīng)用251
8.3超級(jí)電容器255
8.3.1概述255
8.3.2電化學(xué)基礎(chǔ)255
8.3.3純碳電極256
8.3.4贗電容特性的氧化石墨烯基復(fù)合電極263
8.4研究展望及發(fā)展機(jī)會(huì)266
參考文獻(xiàn)267
第9章 氧化石墨烯膜應(yīng)用于分子篩271
9.1氧化石墨烯膜的出現(xiàn)：兩種方式271
9.2氧化石墨烯膜：基于結(jié)構(gòu)概述272
9.3氧化石墨烯膜應(yīng)用于分子篩274
9.4氧化石墨烯膜應(yīng)用于水凈化和海水淡化領(lǐng)域278
9.5膜的其他應(yīng)用283
9.5.1燃料電池膜283
9.5.2新一代電池的離子選擇性膜284
9.5.3脫水應(yīng)用284
9.6總結(jié)及研究展望284
參考文獻(xiàn)285
第10章 氧化石墨烯基復(fù)合材料287
10.1引言287
10.1.1石墨與聚合物288
10.1.2氧化石墨基復(fù)合材料290
10.1.3碳納米管與石墨烯（氧化石墨烯）291
10.2將氧化石墨烯與聚合物混合的原因295
10.2.1制備高強(qiáng)聚合物：機(jī)械性能296
10.2.2電學(xué)性能303
10.2.3熱傳導(dǎo)性308
10.2.4阻隔性能310
10.3石墨烯與氧化石墨烯312
10.3.1尺寸效應(yīng)313
10.3.2介質(zhì)對(duì)氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的影響313
10.3.3提純工藝316
10.3.4熱不穩(wěn)定性317
10.3.5健康問(wèn)題317
10.3.6環(huán)境影響319
10.4總結(jié)320
參考文獻(xiàn)320
第11章 氧化石墨烯毒理學(xué)研究與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用332
11.1引言332
11.2氧化石墨烯毒理性333
11.3毒理機(jī)制334
11.3.1膜目標(biāo)334
11.3.2氧化應(yīng)激335
11.3.3其他因素337
11.4氧化石墨烯生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用337
11.4.1氧化石墨烯在癌癥和細(xì)菌感染治療中的應(yīng)用337
11.4.2光熱療法337
11.4.3氧化石墨烯作為藥物載體339
11.5生物分析應(yīng)用342
致謝344
參考文獻(xiàn)345
第12章 催化348
12.1引言348
12.2氧化石墨烯性質(zhì)348
12.3氧化活性350
12.3.1氧化石墨烯的氧化反應(yīng)350
12.3.2硫化物氧化356
12.3.3功能化材料358
12.4聚合反應(yīng)359
12.5氧還原反應(yīng)360
12.6 Friedel-Crafts和Michael加成363
12.7光催化364
12.8其他層狀碳基材料和GO復(fù)合材料的催化活性364
12.8.1未功能化碳基納米材料364
12.8.2混合催化劑和選擇性的應(yīng)用364
12.9展望368
參考文獻(xiàn)368
第13章 工業(yè)化生產(chǎn)氧化石墨烯的挑戰(zhàn)373
13.1引言373
13.2石墨烯市場(chǎng)的范圍和規(guī)模373
13.3氧化石墨烯合成376
13.4氧化石墨烯生產(chǎn)中的問(wèn)題377
13.4.1石墨來(lái)源377
13.4.2反應(yīng)條件379
13.4.3處理及提純382
13.4.4存儲(chǔ)、處理及質(zhì)量控制385
13.5現(xiàn)有成就及未來(lái)發(fā)展方向386
參考文獻(xiàn)387
術(shù)語(yǔ)391