石墨烯的光化学修饰方法

石岩

（沈阳广播电视大学，沈阳 110003）

石墨烯是人类的重要研究发现之一。石墨烯之所以得到广泛的关注是因为该物质具有其他物质不具备的特性。很多学者通过多年研究已经发现了很多石墨烯制备的方法，这些方法对研究化学性质、用途相关方面都具有重要的价值和实用性。近年来，石墨烯的共价化学反应得到广泛的关注，因为这种研究方法可以最大限度地丰富石墨烯的研究内涵。

1 石墨烯的光催化反应

通过化学手段，促使石墨烯的化学共价修饰，就能改变石墨烯的性能，生成一种新型的石墨烯衍生物。由于石墨烯成蜂窝状，其性质坚固，不易改变。这种物质具有更好的性能，适合各个领域的需求。然而石墨烯成蜂窝状的特质决定其稳定的物理性质和化学性质，一般的手段是无法改变的。

光催化是一种光化学反应，该反应的需要借助宽带隙半导体，实现对空穴——电子对的分离，该化学反应使用的光催化剂是二氧化钛，目前二氧化钛成为光化学研究的重要对象。光催化的研究是在1972年开始的，美国的化学家霍丹在对二氧化钛研究的过程中，发现了其产生光电催化的情况，从此掀开了光催化研究的浪潮。二氧化钛是一种较为常见电网半导体，由于其自身的物理性质，决定了将其置入溶液或者暴露在空气之中，会使其表面的电荷聚集在一起，形成双电层。对于二氧化钛半导体来说，与其吸附物质之间的氧化还原反应程度，决定了其光催化能力。二氧化钛在紫外线的照射下，产生化学反应，释放出含氧的基团。这些基团可以作为活性的中间体，进行后续的化学反应［1］。

根据光催化的反应机理，人们进行石墨烯的光催化修饰办法。利用二氧化钛在紫外线的照射下，产生空穴电子对的反应机理，在光催化的表面与空气中的水分子和氧原子进行氧化还原反应，反应后的产物自由基团对石墨烯发起进攻，从而对其进行光催化氧化还原反应，对石墨烯进行修饰。该反应对石墨烯表面的基团实现氧化的修饰，从而使反应中的产物分解为小分子。对石墨烯的氧化修饰的反应时间很长，实现石墨烯的可裁剪性。人们将这种裁剪的办法形象地称之为光催化裁剪办法。光催化裁剪办法与其他的裁剪技术相比更加环保、无污染。这种光催化的裁剪技术，使光催化裁剪办法可以切割柔性透明的全碳器件［2］。

2 石墨烯自由基反应的维度效应

对自由基反应行为展开研究，有助于理解石墨烯的化学反应。石墨烯在垂直平面的状态下，变化的差异性使其具有多种特性，例如：光氯化的高效性、对石墨烯的无破坏性等。由于光反应产生的氯基是唯一的自由基团，所以人们对光氯化反应展开研究，旨在敲开石墨烯研究的大门。

2.1 层数效应

石墨烯的实际层数会影响其化学性质。通常化学反应中，例如：氧化反应和氢化反应，石墨烯的层数与反应的活性成反比，石墨烯的层数越高，则其在化学反应中的活性就越差。化学研究人员认为，石墨烯不同层数的不同活性主要是由于在共价反应之中存在的差异性决定。当石墨烯层数增多时，片层变硬，致使石墨烯与自由基共价发生的反应比较困难，影响了石墨烯的活性。

而双层石墨烯的活性则是与层数成正比，如此反常的化学性能是由层数的增加，致使反应的形变势垒的增加，连同氯自由基的共同化学反应作用的结果［3］。

2.2 堆垛效应

石墨烯大分子在垂直平面上具有两个可变的参数，层的数量和层与层之间的位置摆放，决定了层与层之间的作用情况，从而对石墨烯的结构和性质带来了诸多影响。在层数较少的石墨烯中，堆垛方式的应用可以用来控制石墨烯的物理性质，例如：乱垛的双层石墨烯的低能量的色散关系是线性的，这一特性与单层石墨烯的特点相似，但反应的速度要明显高于单层石墨烯。

当今对石墨烯的研究主要是针对堆垛反应对石墨烯物理性质的相关影响，尚未对堆垛反应与石墨烯化学性质有相关的研究。化学研究人员对堆垛反应与石墨烯化学性质的研究还存在空白，人们需要借助简便的光氯化自由基为探针对石墨烯进行研究。单层的石墨烯氯修饰的效果较好，少层的石墨烯修饰效率相对较差，对双层的石墨烯几乎没有修饰的作用，这样就实现了对不同层数石墨烯进行修饰的作用。

3 结语

本文通以我国有关石墨烯的相关化学领域研究为基础，进一步探讨了石墨烯的光化学修饰方法。光化学修饰方法种类很多，其中最为常用的有光催化反应、自由基反应。通过以上方法完成石墨烯的光化学共价修饰，使该物质更加高效，人们对石墨烯操作的工作变得更加方便，对石墨烯的光化学修饰研究已经成为新热点，是化学研究的重要课题。

［1］ 王艺峰，姚祥雨，熊燕飞.采用层层自组装与光化学修饰法在聚氨酯表面固定生物多糖衍生物［J］.高分子学报，2012，10（22）:199-206.

［2］ 张谦，李景虹，宋溪明.金纳米粒子——壳聚糖——石墨烯纳米复合材料的制备及其在生物电化学中的应用［J］.化学学报，2012，11（21）:2213-2219.

［3］ 陈操，翟文涛，张好斌.水溶性石墨烯及其高导电率薄膜的制备与表征［J］.无机材料学报，2011，11（26）:707-710.

［4］ 崔丽莉，刘颖，葡萄.二茂铁功能化石墨烯复合材料的制备及其电催化多巴胺性质研究［J］.长春理工大学学报(自然科学版)，2013，12（30):188-190.