浅谈大学物理中的谱学教学

卢宁 郭宏艳

【摘要】目前的教材中，主要以一些传统材料为例，来阐述一般的谱学研究方法的原理。考虑到目前材料的发展日新月异，适当增加一些前沿新的材料为例，对于教学也有重要的意义。本文简要阐述核磁共振谱对新型的二维纳米材料石墨烯氧化物的结构研究的研究进展。

【关键词】光谱  核磁共振谱  石墨烯氧化物

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）05-0159-01

在大学物理中，我们已经学习了各种谱学研究方法，包括扫描隧道显微谱、 红外光谱、拉曼谱、光吸收谱、核磁共振、X射线光电子能谱等。这些方法对我们研究物质的结构具有非常重要的意义。而目前的教材中，主要以一些传统的材料为例，来阐述这些方法的原理及应用。但是考虑到目前材料的发展日新月异，适当的增加一些前沿新的材料为例，对于教学也有重要的意义。

这里我们将以新型的二维纳米材料石墨烯氧化物为例，通过实验与理论相结合的核磁共振谱对其的结构研究，简要的介绍光谱学方法对其结构的研究进展。

作为二维纳米材料的代表，石墨烯，即单层石墨，展示了许多独特物理化学性质，其电子是无质量的相对论性Dirac费米子，因此其速度与能量无关（约为光速的1/300），具有很高的载流子迁移率[1]。此外，石墨烯在室温下即可观察到量子霍尔效应[2]。这些独特的性质使石墨烯不仅在理论上是重要的原型体系，在应用上也有很大的潜力，并已经得到了广泛的研究，对石墨烯的研究具有重大贡献的英国曼彻斯特两位教授Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 也获得了2010年的诺贝尔奖。石墨烯的大规模制备制约了其进一步应用，利用还原石墨烯氧化物为大规模制备石墨烯提供了可行的途径[3]。石墨烯氧化物的制备方法简单，通过强酸和强氧化剂来氧化石墨即可制得。石墨层的间距是3.6埃，氧化过后，石墨烯氧化物的层间距可以到7-10埃，从而很容易让层与层间脱离。进而通过还原的方式来制备石墨烯。

但一直以来实验上关于石墨烯氧化物的结构存在一定的分歧，基于核磁共振实验提出的勒夫模型被广泛认同[4]。环氧和羟基被认为是在石墨烯氧化物表面的主要基团，一些羧基和羰基被认为在边缘。但是2006年Dekany根据漫反射傅里叶变换红外谱的测量提出了狄凯尼模型，认为环己烷链接的条带组成石墨烯氧化物的主要结构。并且利用第一性原理的能量计算，一些更为详细的石墨烯氧化物的模型也被提出来了，这其中羟基链结构由于具有相连的氢键，被认为能够很好的降低体系的能量，而广泛存大于各种石墨烯氧化物的理论模型中。

在石墨烯氧化物的13C NMR光谱中，主要存在三大共振峰，位置分别在60，70，和130 ppm。实验上通过一系列的反应表明，60 ppm的峰主要来自于环氧基团贡献，70 ppm峰则主要来自羟基的贡献，而130 ppm的峰被分配到未被氧化的芳香性的碳。最新实验上成功的合成100% 13C标记的二维固态核磁共振，进一步提供了羟基与环氧基以及sp2碳相邻的直接证据。

总的来说，核磁共振光谱数据的实验结果一般是可靠的，但是为了更精细的得到石墨烯氧化物的一般结构并解决目前研究中存在的分歧，需要相应的理论模拟来与实验相互验证及补充。计算核磁共振谱研究发现环氧化物和羟基的化学位移对周围的化学环境非常敏感。孤立的环氧化物具有化学位移约70 ppm，但当其周围有羟基时，在大多数情况下，其化学位移约60 ppm，与实验值吻合。并且验证了实验上环氧化物与羟基的亲近性。当两个羟基的形成1，2-对，他们有一个稳定的化学位移约70 ppm。然而，当羟基连成一线，由于较强氢键的拉伸作用，所得到的羟基的化学位移与实验值相比往往会更高。因此，预计在真实的石墨烯氧化物中能量上稳定的羟基链结构并不广泛存在。

本文以核磁共振谱为对石墨烯氧化物的结构研究为例。简要的介绍这些光谱学方法对其结构的研究进展，包括实验光谱与理论计算光谱相结合。一方面可以让同学们看到谱学研究对确定物质结构的重要作用，进一步加深对谱学的理解。另一方面，可以让同学们接触到目前的热门二维新型纳米材料，对扩大知识面，并且学会查找及阅读文献，了解科学发展前沿，这对激发学习兴趣以及未来的发展也具有重要的作用。从而对培养学生科学研究中的理论与实验相结合的一般科学研究方法具有重要的意义。

参考文献：

[1]Novoselov， K. S. et al.， Nature， 2005，（438）：197-200.

[2]Zhang， Y. B. et al.， Nature， 2005，（438）：201-204.

[3]Stankovich， S. et al.， Nature， 2006，（442）：282-286.

[4]He， H. et al.， J. Phys. Chem.， 1996，（100）：19954-19958.