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第1部分 基本原理2

第1章 氧化石墨烯的沿革——从起源到石墨烯热潮2

1.1引言2

1.2氧化石墨烯制备4

1.2.1改进和简化氧化石墨烯制备的试验4

1.2.2石墨的过氧化6

1.2.3形成机理——首次近似7

1.3重要含氧官能团的发现以及相关结构模型的发展9

1.3.1石墨氧化物成分解析9

1.3.2 1930～2006年结构模型的创造10

1.3.3形成机理的考虑——第二次近似14

1.4氧化石墨烯性质16

1.4.1热降解和它的产物16

1.4.2化学还原反应17

1.4.3与酸和碱的反应19

1.4.4“渗透膨胀”：水合作用和胶体形成19

1.4.5氧化石墨烯的酸性21

1.4.6插层和功能化反应24

1.4.7官能团以及它们对氧化石墨烯形成和破坏的反应与关系25

1.5总结26

参考文献27

第2章 氧化石墨烯的形成机理和化学结构33

2.1引言33

2.2结构的基本概念34

2.3制备方法35

2.4形成机理37

2.4.1理论研究和系统复杂性37

2.4.2第一步：阶段1 H2S04-GIC的形成38

2.4.3第二步：阶段1 H2SO4-GIC转化为PGO39

2.4.4PGO结构41

2.4.5第三步：PGO的剥离43

2.5与水接触时PGO化学结构的转变44

2.6化学结构和酸性的起源46

2.6.1结构模型和真实的结构46

2.6.2酸性的来源和动态结构模型52

2.7缺陷密度和含氧功能化石墨烯59

2.7.1通过Charpy-Hummers方法含氧功能化石墨烯59

2.7.2从石墨硫酸含氧功能化石墨烯63

2.8应对两组分结构模型的挑战66

2.9块状氧化石墨的结构70

2.10总结74

参考文献74

第3章 表征技术78

3.1氧化石墨烯核磁共振谱78

3.1.1固态核磁共振谱78

3.1.2氧化石墨烯的核磁共振谱79

3.1.3讨论85

3.2红外谱86

3.3X射线光电子能谱89

3.4拉曼谱92

3.4.1概述92

3.4.2分子的拉曼谱93

3.4.3石墨烯、GO和RGO的拉曼谱93

3.4.4石墨烯的缺陷95

3.4.5GO和RGO的拉曼谱98

3.4.6统计拉曼显微镜（SRM）100

3.4.7展望103

3.5显微镜方法103

3.5.1扫描电子显微镜103

3.5.2原子力显微镜104

3.5.3透射电子显微镜106

3.5.4高分辨率透射电子显微镜107

参考文献110

第4章 氧化石墨烯分散体的流变性112

4.1氧化石墨烯分散体的液晶特性112

4.1.1液晶和Onsager理论112

4.1.2向列相碳纳米材料112

4.2GO液晶水系分散体的流变特性114

4.2.1动态剪切特性115

4.2.2均匀剪切特性118

4.2.3结构的恢复122

4.2.4调整GO分散体的流变性以实现可控制备123

4.2.5具有极大Kerr系数的电光开关125

4.3与其他体系的比较127

4.3.1与含水聚合物基质体系比较127

4.3.2GO和氧化碳纳米管水分散体的比较：维度的作用129

4.4总结和展望130

参考文献131

第5章 氧化石墨烯的光学性质135

5.1引言135

5.2吸收特性135

5.3拉曼散射140

5.4光致发光142

5.5氧化石墨烯的量子点153

5.6应用154

参考文献155

第6章 氧化石墨烯的功能化与还原160

6.1引言160

6.2氧化石墨烯的结构161

6.3氧化石墨烯的稳定性163

6.3.1氧化石墨烯的热稳定性163

6.3.2氧化石墨烯在水溶液中的稳定性及化学性质163

6.3.3含氧功能化石墨烯的稳定性166

6.4非共价化学反应168

6.5共价键化学反应170

6.5.1主要在平面上发生的反应171

6.5.2平面上C-C键形成的认识174

6.5.3边缘处的反应175

6.6氧化石墨烯的还原与歧化182

6.6.1还原182

6.6.2歧化作用185

6.6.3还原方法188

6.6.4含氧功能化石墨烯的还原190

6.7与还原氧化石墨烯的反应193

6.8氧化石墨烯可控的化学性质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——热重分析197

6.8.3含氧功能化石墨烯的合成修饰197

6.9讨论203

参考文献204

第2部分 应用212

第7章 场效应晶体管、传感器与透明导电膜212

7.1场效应晶体管212

7.2传感器216

7.2.1气体传感器217

7.2.2湿度传感器217

7.2.3生物传感器220

7.3还原氧化石墨烯透明导电膜221

7.4基于氧化石墨烯的忆阻器224

7.4.1器件的制备225

7.4.2转换机理226

参考文献228

第8章 能量收集及存储235

8.1太阳电池235

8.2锂离子电池236

8.2.1概述236

8.2.2电化学原理236

8.2.3负极应用239

8.2.4正极应用247

8.2.5新兴应用251

8.3超级电容器255

8.3.1概述255

8.3.2电化学基础255

8.3.3纯碳电极256

8.3.4赝电容特性的氧化石墨烯基复合电极263

8.4研究展望及发展机会266

参考文献267

第9章 氧化石墨烯膜应用于分子筛271

9.1氧化石墨烯膜的出现：两种方式271

9.2氧化石墨烯膜：基于结构概述272

9.3氧化石墨烯膜应用于分子筛274

9.4氧化石墨烯膜应用于水净化和海水淡化领域278

9.5膜的其他应用283

9.5.1燃料电池膜283

9.5.2新一代电池的离子选择性膜284

9.5.3脱水应用284

9.6总结及研究展望284

参考文献285

第10章 氧化石墨烯基复合材料287

10.1引言287

10.1.1石墨与聚合物288

10.1.2氧化石墨基复合材料290

10.1.3碳纳米管与石墨烯（氧化石墨烯）291

10.2将氧化石墨烯与聚合物混合的原因295

10.2.1制备高强聚合物：机械性能296

10.2.2电学性能303

10.2.3热传导性308

10.2.4阻隔性能310

10.3石墨烯与氧化石墨烯312

10.3.1尺寸效应313

10.3.2介质对氧化石墨烯结构的影响313

10.3.3提纯工艺316

10.3.4热不稳定性317

10.3.5健康问题317

10.3.6环境影响319

10.4总结320

参考文献320

第11章 氧化石墨烯毒理学研究与生物医学应用332

11.1引言332

11.2氧化石墨烯毒理性333

11.3毒理机制334

11.3.1膜目标334

11.3.2氧化应激335

11.3.3其他因素337

11.4氧化石墨烯生物医学应用337

11.4.1氧化石墨烯在癌症和细菌感染治疗中的应用337

11.4.2光热疗法337

11.4.3氧化石墨烯作为药物载体339

11.5生物分析应用342

致谢344

参考文献345

第12章 催化348

12.1引言348

12.2氧化石墨烯性质348

12.3氧化活性350

12.3.1氧化石墨烯的氧化反应350

12.3.2硫化物氧化356

12.3.3功能化材料358

12.4聚合反应359

12.5氧还原反应360

12.6Friedel-Crafts和Michael加成363

12.7光催化364

12.8其他层状碳基材料和GO复合材料的催化活性364

12.8.1未功能化碳基纳米材料364

12.8.2混合催化剂和选择性的应用364

12.9展望368

参考文献368

第13章 工业化生产氧化石墨烯的挑战373

13.1引言373

13.2石墨烯市场的范围和规模373

13.3氧化石墨烯合成376

13.4氧化石墨烯生产中的问题377

13.4.1石墨来源377

13.4.2反应条件379

13.4.3处理及提纯382

13.4.4存储、处理及质量控制385

13.5现有成就及未来发展方向386

参考文献387

术语391