氧化石墨烯基本原理與應用

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(fā)現(xiàn)以及相關結(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(jié)26
參考文獻27
第2章 氧化石墨烯的形成機理和化學結(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形成機理37
2.4.1理論研究和系統(tǒng)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(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PGO化學結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變44
2.6化學結(jié)構(gòu)和酸性的起源46
2.6.1結(jié)構(gòu)模型和真實的結(jié)構(gòu)46
2.6.2酸性的來源和動態(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(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(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(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122
4.2.4調(diào)整GO分散體的流變性以實現(xiàn)可控制備123
4.2.5具有極大Kerr系數(shù)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(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131
第5章 氧化石墨烯的光學性質(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(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(fā)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(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(zhuǎn)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(fā)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(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(jié)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(zhì)對氧化石墨烯結(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健康問題317
10.3.6環(huán)境影響319
10.4總結(jié)320
參考文獻320
第11章 氧化石墨烯毒理學研究與生物醫(yī)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(yī)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(zhì)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(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(zhì)量控制385
13.5現(xiàn)有成就及未來發(fā)展方向386
參考文獻387
術語391