氧化石墨烯、氧化还原石墨烯分别有什么特点，如何制备？

总结：自石墨烯的发现以来，二维碳材料以其卓越的物理化学特性，成为材料科学和应用技术领域的研究热点。石墨烯凭借极高的力学强度、电导率和热导率，为下一代电子器件、储能设备及柔性电子提供了理想平台。

其氧化衍生物——氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）则通过官能团调控实现了分散性、可加工性与功能多样化，极大拓展了其在复合材料、储能、催化和生物医学等方向的应用前景。

随着材料设计与制造工艺的不断进步，石墨烯家族材料正引领着新一轮科技创新。本文将系统梳理石墨烯、GO与rGO的结构特征、制备方法及代表性应用，帮助读者全面把握这一前沿领域的核心进展与未来趋势。

石墨烯是一种由单层碳原子以六边形蜂窝状晶格紧密排列而成的二维材料。在石墨烯中，每个碳原子通过sp²杂化与三个邻近碳原子形成σ键，剩余的p轨道垂直于平面，通过π键形成离域电子云。

这种独特的原子结构使石墨烯成为理论上最薄的已知材料（仅一个碳原子厚），其比表面积极大。尽管石墨烯只有一个原子厚，但单位面积质量极低（约0.77毫克/平方米），远低于任何常见材料。

石墨烯结构特点

石墨烯具有一系列卓越的物理化学性质。其力学性能非常出色，拉伸强度可达约130GPa、杨氏模量约1TPa（是钢铁强度的100多倍），表现出极高的刚性与韧性。同时，石墨烯是目前已知热导率最高的材料之一，室温下热导率可达(4.8–5.3)×10³W/(m·K)；电导率也非常优异，电子迁移率可超过200,000cm²/(V·s)，载流子在石墨烯中可实现准弹道输运。

这些性能归功于石墨烯中价带和导带在布里渊区的狄拉克点相接触的特殊电子结构，使其表现出接近“零带隙”的半金属性质。

此外，石墨烯对可见光的单层吸收率约为2.3%，具有良好的光学透明性；化学上，石墨烯的π电子云赋予其较好的化学稳定性，但表面可通过功能化修饰以满足不同需求。

DOI: 10.3390/jcs8110481

石墨烯常见应用方向

这些突出的性能使石墨烯在各个领域备受关注。例如，它可用于增强纳米复合材料的强度和导电性；可作为透明导电电极应用于显示器和太阳能电池；在光电探测器中利用其宽光谱吸收与快响应特性；在高频电子器件中用作场效应晶体管的导电通道等。

事实上，欧洲石墨烯旗舰计划总结的路线图指出，石墨烯最有前景的应用领域包括复合材料、能源存储与转换、电信电子、各种传感器及生物医药技术等。

此外，在超级电容器、锂离子电池电极、腐蚀防护涂层、柔性可穿戴电子等方面也有大量探索。总体而言，石墨烯因其力学、电学、热学等性能的无与伦比组合，成为未来科技革新的重要材料。

剑桥大学团队2024年开发了一种可穿戴智能“语音颈圈”，在纺织品上涂覆多层石墨烯并利用其微裂纹结构实现超高灵敏的应变检测。

该传感器在

此类实例充分展示了石墨烯在柔性可穿戴电子和生物信号处理等前沿领域的创新应用前景。

DOI: 10.1038/s41528-024-00315-1

氧化石墨烯是将石墨或石墨烯片层经过氧化处理得到的一种衍生物，其基本结构仍为层状的碳六边形网络，但表面和边缘引入了大量含氧官能团。典型的GO片层在晶格平面上附着有羟基（–OH）和环氧基（–O–），在边缘则带有羧基（–COOH）等。

因此，GO的化学式可近似表示为C_xO_y，其中C:O原子比通常约为2∶1到3∶1。这些官能团大幅破坏了部分sp²杂化碳结构，引入了sp³杂化位点，使GO相比石墨烯的导电性显著降低（接近绝缘）但亲水性和化学活性增强。

制备方法

传统制备GO最常用的是Hummers法，即将石墨与硫酸、磷酸等酸液混合后加入高锰酸钾氧化。与早期的Brodie法和Staudenmaier法相比，Hummers法工艺更安全、耗时更短，不会产生高浓度ClO₂有毒气体，因此成为工业上制备GO的主流方法。

针对环保与效率需求，后续出现了多种改进方案。例如，Marcano等利用硫酸/磷酸的混合酸体系替代纯硫酸，既提高了氧化程度，又避免了有毒气体的产生。

其他如使用氯酸盐、高铁酸钾或过氧化苯甲酰等替代氧化剂也被提出，以期进一步提升产率并降低环境污染。

氧化石墨烯结构特点：GO的片层结构介于石墨烯和氧化石墨之间。由于丰富的含氧基团，GO拥有较大的比表面积和高度的亲水性，可在水和许多有机溶剂中均匀分散。

同时，这些官能团使GO呈现负电荷（例如–COOH可形成–COO⁻），易与其他分子或高分子通过共价/非共价键结合形成功能化复合材料。

然而，GO中断了碳原子的完全共轭网络，其电子传导通道受到破坏，因此本征电阻率远高于纯石墨烯。可以说，GO更注重化学可加工性和表界面功能化，而非优异的电学性能。

氧化石墨烯常见应用方向：

GO在许多领域展现了独特优势。其丰富的官能团和结构优势使其在传感器、催化、储能材料和生物医药等领域得到广泛应用。例如，将GO融入钠离子电池多阴离子正极材料Na₂ Fe(SO₄)₂中，在颗粒表面原位形成碳层，从而抑制不利相（如Na₆Fe(SO₄)₄）的生成并减少Fe²⁺的氧化。

添加GO后材料的循环稳定性显著提升：在0.5C充放电速率下循环200周后，容量保持率由原来的56%提高到87%。该研究表明，GO可作为导电涂层/结构修饰剂，改善阴极材料的电化学性能，从而为高性能钠离子电池提供了新的设计思路。

DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c06048

还原氧化石墨烯指的是通过化学或热处理等方法，将GO的氧官能团去除而得到的产物。rGO在结构上介于GO和纯石墨烯之间：经过还原后，部分被破坏的sp²共轭碳网络重新形成，石墨烯的π电子体系部分恢复，但仍保留了一定数量的缺陷和残余氧杂质。

这种结构使rGO结合了GO的加工优势与石墨烯的导电优势：其电学性能显著优于GO（导电性提高），但通常仍低于完美石墨烯。

制备方法

常见的还原手段包括化学还原（使用还原剂如肼、硼氢化钠、维生素C等）、高温热还原（将GO在惰性气氛下退火）以及电化学还原等。不同方法得到的rGO质量差异较大：一些化学还原方法工艺简单、成本低廉，但很难去除所有氧杂质；而高温热还原可获得较纯的rGO，但需要高能耗。

无论如何，rGO的C:O原子比通常大幅提高（例如可达10:1），但仍保留少量含氧基团。有研究指出，将GO还原所得的rGO可能仍含有羧基、羟基残留，只是数量减少，且晶格中存在石墨空位等缺陷。

还原氧化石墨烯结构性能

rGO片层结构保持了一定的完整性和大比表面积，同时具有部分恢复的导电性和较好的化学活性。与GO相比，rGO在电学、光学等方面性能改善明显，但其晶体完整性和载流能力仍受缺陷制约。一般来说，rGO可满足大多数复合材料增强、电极材料和传感器等应用对导电性的要求，同时保留了较多的表面活性位点。

还原氧化石墨烯常见应用方向

近年文献中有多项研究展示了rGO在先进器件中的应用潜力。例如，2024年J.Mater.Chem.A报道了一种3D打印硅基/rGO混合电极，用于可弯折的锂离子电池。

研究中，rGO网络作为导电骨架和缓冲层，不仅显著提升了电极的导电性，还有效缓解了硅纳米颗粒在充放电过程中的体积膨胀。

结果表明，该3D打印Si/rGO结构电极在柔性电池中展现出优异的循环稳定性和容量保持率，凸显了rGO在柔性可穿戴能源器件中的重要应用前景。

此外，rGO还广泛用于高性能电容器电极、透明导电薄膜、复合材料以及催化剂载体等领域，可通过与金属氧化物、聚合物等复合进一步扩展功能应用。

总体而言，rGO凭借其可规模制备性和优良的综合性能，成为连接石墨烯与现实应用的关键材料。

DOI: 10.1039/D4TA02070G