氧化石墨烯道理获新发明

 
 
氧化石墨烯道理获新发明  
 

自英国物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫因发明石墨烯在2010年得到诺贝尔物理学奖以来，石墨烯出格是氧化石墨烯（GO）在新能源电池、快速充电、生物医学、海水淡化等诸多应用方面都获得了遍及的成长。

然而，几个道理方面的问题恒久困扰着研究人员。氧化石墨烯外貌的官能团漫衍有什么纪律呢？假如有，是什么原因促成了这种漫衍纪律呢？可否操作这些纪律在应用上做些文章呢？

克日，扬州大学物理科学与技能学院传授涂育松的课题组与上海大学情况与化学工程学院研究员石国升的课题组相助，在《中国物理快报》上颁发论文，开展理论团结尝试研究对上述问题举办了答复。

他们发明，在有水分子吸附时，氧化石墨烯可以或许转变为自适应动态共价质料。水分子充当前言，可以把氧化石墨烯中氧迁移的能垒低落到与液态水的氢键能相似甚至更低的程度。而环氧和羟基官能团在水分子前言下，可以自发断开或重组碳氧键，实现氧的动态迁移。

环氧被水扶着踩高跷

涂育松先容，石墨烯是碳原子单层。除少量纯石墨烯应用外，实际应用中氧化石墨烯较多，而单层氧化石墨烯的正上下方，漫衍有两种官能团环氧和羟基，而在氧化石墨烯边沿则漫衍着一些羧基官能团。

“由于这些氧化官能团都是亲水的，而石墨烯自己是疏水的，这两类质料的交织漫衍，与石墨烯的性质直接相关，是氧化石墨烯在许多方面都能取得应用的重要原因。”石国升说。

固然这种官能团漫衍很早就为人所知，可是以前的概念认为，该漫衍是完全随机的。道理没有取得打破，导致氧化石墨烯的性质很难琢磨，也给进一步的相关研究也带来困扰。

然而2014年的时候，二人提出了本身的氧化石墨烯模子。他们发明羟基和环氧可以形成氢键，官能团的漫衍也并不是随机的。

“氧化的亲水基团位点之间的关联性很强，往往一个点氧化今后，石墨烯的苯环被粉碎，接下来会在周围的关联位点继承氧化。大片未氧化的区域，也倾向于聚到一块，最终形成一片片交织漫衍的氧化区和非氧化区团簇。”石国升说，“这样就把氧化官能团的漫衍计较了出来，还为此开拓了软件。”

他们通过密度泛函理论（DFT），计较出在无水环境下，假如要让氧化石墨烯外貌的环氧和羟基中的碳-氧键断开所需的能量是液态水分子氢键能量的5-6倍。然而假如在情况中插手水分子，可以将碳氧键断开的能垒低落到跟水分子氢键能相当的程度。

这意味着，水可以很容易地把氧从碳手中抢过来，从而使得氧在常温下，就可以自由移动。

涂育松的团队进一步通过从新计较分子动力学模仿证实，羟基中的碳氧键原来断开是很坚苦的，可是假如周围恰好有一个环氧，羟基就可以将质子（氢离子）转移到这个环氧上，本身酿成了一个环氧，如同环氧在羟基的协助下产生了迁移。

可能环氧遇到一个水分子，水分子中的氧可以瞬间毗连三个氢，再把一个氢释放给环氧的一条碳氧键，此时的环氧就酿成了一个羟基。尔后当后者再把氢离子吐回给水分子后，断开的氧就会在邻近区域毗连一个碳原子，从头形成环氧。

就这样，环氧的两条碳氧键像一对高跷，在羟基可能水分子的搀扶下可以持续地移动。

“此前这方面的研究中多把氧化基团看作是孤独的，单个地研究羟基可能环氧。” 涂育松汇报《中国科学报》，“而我们把环氧、羟基和水分子看作是一个整体，在彼此协助下产活跃态变革的进程。”

在从新计较分子动力学模仿中，常温常压下，氧化基团就能自发地震起来。

“这给了我们很大的信心。”涂育松说。

尝试测试遭遇挑战

为了证实上述进程，石国升的团队但愿能用尝试和后续测试调查到相关现象。