氧化石墨烯基本原理與應用（簡體書）

本書系統地介紹了氧化石墨烯自19世紀起的歷史發展沿革，不僅涵蓋了氧化石墨烯合成過程機理、結構模型、成分組成、化學性質、能譜表征結果以及功能化修飾等相關內容，同時也介紹了氧化石墨烯在電子傳感器件、能源收集存儲、薄膜宏觀體、復合材料、生物醫學、化學催化以及工業化生產方面應用的新研究進展。本書內容全面詳盡，內容深度和機理解釋客觀，是一本學習氧化石墨烯基礎原理與相關應用研究的經典著作。

本 書 主 編 Ayrat M.Dimiev博士 先進碳納米結構實驗室，喀山聯邦大學，喀山，俄羅斯 Ayrat M.Dimiev在位于俄羅斯喀山市的喀山聯邦大學獲得物理化學專業博士學位。在喀山農業大學任職助理教授三年后，他移居到美國教授國際高中畢業考試化學課程。在2018年，他加入萊斯大學James M.Tour教授課題組，在這里他開始在碳領域的研究。他的探究涵蓋領域有碳納米管剪開、碳基介電復合材料、石墨插層化合物以及氧化石墨烯化學特性等。他在相關領域終的貢獻是揭示了石墨插層混合物中階段轉化機理，以及發展了氧化石墨烯的動力學結構模型。2013年，Dimiev博士接受來自AZ電子材料（現在是美國EMD功能材料有限公司，是德國達姆施塔特市Merck KGaA企業的業務）的個人邀請，去幫助發展他們新啟動的碳項目。在美國EMD功能材料有限公司期間，他將自己領域里的專長用于建立和商業化由氧化石墨烯和其他碳納米結構組成的新產品。2016年5月，Dimiev博士作為喀山聯邦大學先進碳納米結構實驗室的負責人回到他在喀山的母校。Dimiev博士在碳領域發表了18篇論文，引用累計超過2000次，同時他擁有5項新發明專利應用。 Siegfried Eigler博士 化學和化工學院，查爾姆斯理工大學，哥德堡，瑞典 Siegfried Eigler于2016年在Friedrich-Alexander大學Norbert Jux教授指導下獲得有機化學專業博士學位。隨后，他在日本DIC有限公司分部DIC-柏林股份有限公司開展工業研究。相關研究集中在導電高分子和新型半導體單體上。2009年，他開始關于氧化石墨烯合成和應用的研究工作。兩年后，他成為Friedrich-Alexander大學講師和研究助理。在那里，他開展關于氧化石墨烯合成的深入研究，並且他通過控制合成方法實現了避免碳晶格缺陷。基于這個發現，他可以研究氧化石墨烯可控的化學特性，並且合成了幾種新的石墨烯衍生物和復合材料。目前，他的研究集中在石墨烯化學特性的先進控制上。Eigler博士已發表27篇碳研究相關的文章，並且申請濕化學合成石墨烯相關專利一項，該專利技術可以實現缺點密度控制。他接受了瑞典哥德堡市查爾姆斯理工大學提供的職位，在2016年開始成為副教授。 本 書 參 編 Seyed Hamed Aboutalebi 凝聚態國家重點實驗室，基礎科學研究所（IPM），德黑蘭，伊朗 Young Hoon Cho 能源工程學院，漢陽大學，首爾，韓國 Mohsen Moazzami Gudarzi 無機和分析化學學院，日內瓦大學，日內瓦，瑞士 Cary Michael Hayner 技術官，斯諾迪系統有限公司，芝加哥，伊利諾伊州，美國 Larisa Kovbasyuk 化學與藥學學院，無機化學II，Friedrich-Alexander大學，埃爾朗根，德國 Anton Lerf 瓦爾特-巴法力亞科學院邁斯納研究所，加爾興，德國 Sean E.Lowe 材料科學與工程學院，莫納什大學，克萊頓，澳大利亞 Andriy Mokhir 化學與藥學學院，無機化學II，Friedrich-Alexander大學，埃爾朗根，德國 Anton V.Naumov 物理與天文學學院，得克薩斯基督大學，沃思堡市，美國 Ho Bum Park 能源工程學院，漢陽大學，首爾，韓國 Ioannis V.Pavlidis 生物化學學院，卡塞爾大學，卡塞爾，德國 Samuele Porro 應用科學與技術學院，都靈理工大學，都靈，意大利 Ignazio Roppolo 航天員類機器人中心，意大利理工學院，都靈，意大利 Farhad Sharif 高分子工程與色彩技術學院，阿米爾卡比爾理工大學，德黑蘭，伊朗 Cristina Vallés 材料學院，曼徹斯特大學，曼徹斯特，英國 Hee Wook Yoon 能源工程學院，漢陽大學，首爾，韓國 Yu Lin Zhong 材料科學與工程學院，莫納什大學，克萊頓，澳大利亞

氧化石墨烯（GO）已成為近10年來研究廣泛的材料之一。它促進了化學／物理和材料科學領域的大規模跨學科研究。由于其獨特的性能，GO已成功通過多種應用測試。這一富有成果的研究領域已經產生了大量的出版物。一些綜述文章總結了新進展。然而截至目前，將所有已發表的研究進行系統化，並且幫助對這一領域感興趣的非專家讀者方面只做了少量工作。本書旨在完成這項任務，每章的內容和本書總體上都是從基礎到復雜，以經典科學領域中典型的類別呈現。這使得本書與眾不同，有別于其他文獻。 本書系統地介紹了氧化石墨烯自19世紀起的歷史發展沿革，不僅涵蓋了氧化石墨烯合成過程機理、結構模型、成分組成、化學性質、能譜表征結果以及功能化修飾等相關內容，同時也介紹了氧化石墨烯在電子傳感器件、能源收集存儲、薄膜宏觀體、復合材料、生物醫學、化學催化以及工業化生產方面應用的新研究進展。本書內容全面詳盡，內容深度和機理解釋客觀，是一本學習氧化石墨烯基本原理與相關應用研究的經典著作，很適合石墨烯功能材料領域化學、材料、物理、生物等學科師生以及研究者參閱。

譯者序
原書序
原書前言
本書主編
本書參編
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改進和簡化氧化石墨烯制備的試驗4
1.2.2石墨的過氧化6
1.2.3形成機理——首次近似7
1.3重要含氧官能團的發現以及相關結構模型的發展9
1.3.1石墨氧化物成分解析9
1.3.2 1930~2006年結構模型的創造10
1.3.3形成機理的考慮——第二次近似14
1.4氧化石墨烯性質16
1.4.1熱降解和它的產物16
1.4.2化學還原反應17
1.4.3與酸和堿的反應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24
1.4.7官能團以及它們對氧化石墨烯形成和破壞的反應與關系25
1.5總結26
參考文獻27
第2章 氧化石墨烯的形成機理和化學結構33
2.1引言33
2.2結構的基本概念34
2.3制備方法35
2.4形成機理37
2.4.1理論研究和系統復雜性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轉化為PGO39
2.4.4 PGO結構41
2.4.5第三步：PGO的剝離43
2.5與水接觸時PGO化學結構的轉變44
2.6化學結構和酸性的起源46
2.6.1結構模型和真實的結構46
2.6.2酸性的來源和動態結構模型52
2.7缺陷密度和含氧功能化石墨烯59
2.7.1通過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應對兩組分結構模型的挑戰66
2.9塊狀氧化石墨的結構70
2.10總結74
參考文獻74
第3章 表征技術78
3.1氧化石墨烯核磁共振譜78
3.1.1固態核磁共振譜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統計拉曼顯微鏡(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動態剪切特性115
4.2.2均勻剪切特性118
4.2.3結構的恢復122
4.2.4調整GO分散體的流變性以實現可控制備123
4.2.5具有極大Kerr系數的電光開關125
4.3與其他體系的比較127
4.3.1與含水聚合物基質體系比較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總結和展望130
參考文獻131
第5章 氧化石墨烯的光學性質135
5.1引言135
5.2吸收特性135
5.3拉曼散射140
5.4光致發光142
5.5氧化石墨烯的量子點153
5.6應用154
參考文獻155
第6章 氧化石墨烯的功能化與還原160
6.1引言160
6.2氧化石墨烯的結構161
6.3氧化石墨烯的穩定性163
6.3.1氧化石墨烯的熱穩定性163
6.3.2氧化石墨烯在水溶液中的穩定性及化學性質163
6.3.3含氧功能化石墨烯的穩定性166
6.4非共價化學反應168
6.5共價鍵化學反應170
6.5.1主要在平面上發生的反應171
6.5.2平面上C-C鍵形成的認識174
6.5.3邊緣處的反應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193
6.8氧化石墨烯可控的化學性質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204
第2部分 應用
第7章 場效應晶體管、傳感器與透明導電膜212
7.1場效應晶體管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轉換機理226
參考文獻228
第8章 能量收集及存儲235
8.1太陽電池235
8.2鋰離子電池236
8.2.1概述236
8.2.2電化學原理236
8.2.3負極應用239
8.2.4正極應用247
8.2.5新興應用251
8.3超級電容器255
8.3.1概述255
8.3.2電化學基礎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合電極263
8.4研究展望及發展機會266
參考文獻267
第9章 氧化石墨烯膜應用于分子篩271
9.1氧化石墨烯膜的出現：兩種方式271
9.2氧化石墨烯膜：基于結構概述272
9.3氧化石墨烯膜應用于分子篩274
9.4氧化石墨烯膜應用于水凈化和海水淡化領域278
9.5膜的其他應用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脫水應用284
9.6總結及研究展望284
參考文獻285
第10章 氧化石墨烯基復合材料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制備高強聚合物：機械性能296
10.2.2電學性能303
10.2.3熱傳導性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313
10.3.2介質對氧化石墨烯結構的影響313
10.3.3提純工藝316
10.3.4熱不穩定性317
10.3.5健康問題317
10.3.6環境影響319
10.4總結320
參考文獻320
第11章 氧化石墨烯毒理學研究與生物醫學應用332
11.1引言332
11.2氧化石墨烯毒理性333
11.3毒理機制334
11.3.1膜目標334
11.3.2氧化應激335
11.3.3其他因素337
11.4氧化石墨烯生物醫學應用337
11.4.1氧化石墨烯在癌癥和細菌感染治療中的應用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生物分析應用342
致謝344
參考文獻345
第12章 催化348
12.1引言348
12.2氧化石墨烯性質348
12.3氧化活性350
12.3.1氧化石墨烯的氧化反應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359
12.5氧還原反應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用364
12.9展望368
參考文獻368
第13章 工業化生產氧化石墨烯的挑戰373
13.1引言373
13.2石墨烯市場的范圍和規模373
13.3氧化石墨烯合成376
13.4氧化石墨烯生產中的問題377
13.4.1石墨來源377
13.4.2反應條件379
13.4.3處理及提純382
13.4.4存儲、處理及質量控制385
13.5現有成就及未來發展方向386
參考文獻387
術語391