无定形氧化石墨烯的制备表征及其在电化学传感器中的应用研究

Graphene, a single atomic layer of sp2-hybridized carbon arranged in an honeycomb structure, is a two-dimensional carbon based material. There has been a lot of interest on graphene-based in chemical sensors study because its particular structure, such as oxygen-containing groups, structure defect (introducing of functional groups or innate of materials structure eg. stacking or topology) and specific surface area. But because graphene oxide is a nonstoichiometric compound with a variety of compositions depending on the complex oxidation condition, it is believed that the atomic structure of graphene oxide is nearly amorphous in large length scale. Focusing on the present insufficiency of research into amorphous carbon, we establish a preparation program to synthetize amorphous nanocarbon materials with several different morphology by simple chemical oxidation employing the different carbon precusors as raw materials. The amorphous structure (innate of materials structure) of nanocarbon composite materials improve the property of electronical transmission, in addition, the nanocarbon materials have the response to poisonous micromolecule (eg. heavy metal ions, aromatic derivative) with advantage of specific, sensitive and fast, and expand their application fields.

石墨烯是由单层sp2杂化碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料。氧化石墨烯在氧化过程中引入的基团和形成的缺陷（官能团引入造成或者碳材料自身固有缺陷，例如堆积或缺陷拓扑）结构，使石墨烯材料在化学传感器领域具有重要应用价值。由于氧化过程的复杂性和石墨烯本身非计量结构的特点，氧化石墨烯在宏观上表现出无定形态。针对目前石墨烯无定形态研究和其应用于化学传感器中电子传输效率较低、和目标分子电化学响应不足的问题，项目拟从以不同的碳源着手，通过简便可控的的化学氧化法，得到不同形貌的具有无定形结构的纳米石墨烯材料。由于无定形结构的引入，大大改善了碳材料的电子传输能力及其电化学性质，项目通过对石墨烯的无定形结构和电化学传感器性能的关系研究，重点考察对于芳香族化合物或重金属的特异性响应，并建立一种分析方案，从而拓展石墨烯材料在电化学传感器领域的应用。

近年来，石墨烯基纳米材料的结构、组成其自身的性质和应用逐渐成为多种研究领域的研究焦点，尤其是氧化石墨烯的氧化程度以及无定形程度对其性质及应用的影响。在国家自然科学基金（21345001）支持下，我们采用实验和理论相结合的方法系统研究了氧化程度及无定形度对石墨烯基碳材料的结构及光电性质的影响，并开展了其在电化学传感器以及光学等领域的应用研究。研究的基本情况如下：.首先，我们采取简单、绿色、经济的电化学剥离法合成分散性能良好且导电性能良好的石墨烯。制得的石墨烯（EGNs）作为分散剂和导电剂与黄原酸化的碳纳米管（hyxCNTs）相互作用形成EGNs/hyxCNTs复合材料。将此网状复合纳米材料用于电化学传感器研究，此传感器对铜离子具有良好的响应和选择性。功能化修饰的电极对铜离子有明显的两段线性范围：0.1 - 20 μM 和 20 - 60 μM，其检出限为0.0579 μM。.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。同时，探讨了不同溶剂中的光谱过程。另外，采用第一性原理研究了HCN在不同氧化程度的氧化石墨烯上的吸附行为。结果表明，氧化基团HCN之间的氢键作用如 N•••H 和 O•••H 使 HCN 在 rGO 上的吸附强于石墨烯，氧化基团类型和其在石墨烯上的取代位置对吸附性能影响较大。.最后，我们采用简单、经济、高效、可控的臭氧化的方法研究了不同的氧化程度对氧化石墨烯荧光的影响。同时，根据氧化石墨烯光学性质、结构和组成的变化探讨了臭氧化过程中臭氧对氧化石墨烯的表面的氧化和分解行为以及臭氧化经历的阶段。与此同时，我们以不同形态的碳为前驱体来合成具有不同形貌的荧光类-石墨烯纳米材料。.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Journal of Materials Science、RSC Advances、ChemPhysChem等SCI期刊上发表文章4篇。另外3篇文章待发表。