氧化石墨烯结构特征与发光特性的研究

石墨烯因其二维周期蜂窝状点阵结构而具有独特的电子结构和光电性质，氧化石墨烯纳米材料有发光稳定、水溶性好、生物相容性好、表面易于化学修饰的特点，因而在光学、材料学和生物医药分析中具有重要的应用前景。本项目拟采用电化学氧化法制备以氧化石墨烯为基体的光致发光材料。通过化学环境辅助，以及控制电压、电解液组成和电解模式等氧化条件，并结合凝胶和电泳分离，以得到粒径集中、氧化类型不同的彩色发光氧化石墨烯；并使用多种表征手段研究此材料的特殊结构；研究此材料的荧光、磷光和电致化学发光特性；在实验基础上，结合理论计算方法研究氧化石墨烯纳米材料的发光机理，探讨氧化石墨烯的结构特征与其发光特性的关系。通过本项目的工作，实现对于氧化石墨烯的可控制备分离，从微观结构和电子特性上探明氧化石墨烯结构特征对发光特性的影响关系，项目成果对于氧化石墨烯的制备分离和发光分析的研究及其应用有重要的理论和实践意义。

在国家自然科学基金（21075083）支持下，我们采用实验和理论方法较系统的研究了石墨烯基材料和纳米碳材料的合成制备以及在光学、电学、电化学以及传感等领域的应用。其基本研究情况如下：. 首先，研究建立了一套采用多种碳源、简单经济、高效可控的深度氧化制备具有荧光特性的氧化石墨烯及石墨烯量子点的合成制备方法。采用多种表征分析手段，结合光谱学研究探明其结构特征和发光特性的关系，所制备的氧化石墨烯发光区间为530 - 550 nm，通过可控氧化，调整氧化程度和结构形貌，实现发射峰逐渐蓝移。具有荧光特性的石墨烯量子点大小在2 - 5 nm之间，其荧光光谱位于355 - 440 nm 之间，荧光量子产率从3.18% 到 9.48%。同时研究了以芳香类小分子化合物为碳源，以微波辅助合成合成不同粒径大小且具有荧光性能的碳点。. 其次，采用量子化学方法含时密度泛函理论（TDDFT）研究了氧化石墨烯的结构特征与发光特性的相关关系。研究表明，随石墨烯量子点尺寸增大，吸收和发射光谱均发生红移。氧化程度越高，红移越明显。此外，探讨了不同溶剂中的光谱过程。采用第一性原理研究了边缘氧化对石墨烯量子点的稳定性和半金属性的影响，同时探讨了HCN在氧化石墨烯上的吸附行为。. 在理论和实验研究的基础上，设计合成了一系列碳基-纳米材料和复合材料并将其应用到电化学传感分析领域。在氧化石墨烯/金纳米复合材料修饰的玻碳电极表面修饰Cyt c，作为检测亚硝酸根离子的电化学传感器。合成表征了纳米碳球，采用黄原酸对其功能化从而制备出铜离子电化学传感器，其线性响应范围为8.0×10-8 - 2.2×10-6 M，检出限为3.55×10-8 M。另外，我们还进行了碳材料在电化学材料领域的研究，采用简便电化学剥离石墨法制备了形貌可控的氧化石墨，可作为具有良好的循环稳定性的电极材料，在0.1 C条件下，其容量密度高达631 mAhg-1，在1 C条件下达到497 mAhg-1。. 在基金的支持下，我们按计划完成了课题的研究，取得了较好的研究成果并在SCI学术期刊上发表文章15篇。