石墨烯的化學(xué)性質(zhì)
石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨類似,石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當這些原子或分子作為給體或受體時可以改變石墨烯載流子的濃度,而石墨烯本身卻可以保持很好的導(dǎo)電性。但當吸附其他物質(zhì)時,如H+和OH-時,會產(chǎn)生一些衍生物,使石墨烯的導(dǎo)電性變差,但并沒有產(chǎn)生新的化合物。因此,可以利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上,每個碳原子多加上一個氫原子,從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。 [7] 可以在實驗室中通過化學(xué)改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段。
化合物
氧化石墨烯(grapheneoxide,GO):一種通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)發(fā)煙濃酸溶液處理后,石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物,石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?,經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。XPS、紅外光譜(IR)、固體核磁共振譜(NMR)等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團,包括羥基、環(huán)氧官能團、羰基、羧基等。羥基和環(huán)氧官能團主要位于石墨的基面上,而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣處。
石墨烷:可通過石墨烯與氫氣反應(yīng)得到,是一種飽和的碳氫化合物,具有分子式(CH)n,其中所有的碳是sp3雜化并形成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵,石墨烷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì),具有直接帶隙。
氮摻雜石墨烯或氮化碳(carbonnitride):在石墨烯晶格中引入氮原子后變成氮摻雜的石墨烯,生成的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出較純石墨烯更多優(yōu)異的性能,呈無序、透明、褶皺的薄紗狀,部分薄片層疊在一起,形成多層結(jié)構(gòu),顯示出較高的比電容和良好的循環(huán)壽命。
生物相容性:羧基離子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能團,從而大幅度提高材料的細胞和生物反應(yīng)活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀相比,更適合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的邊緣與碳納米管相比,更長,更易于被摻雜以及化學(xué)改性,更易于接受功能團。
氧化性:可與活潑金屬反應(yīng)。
還原性:可在空氣中或是被氧化性酸氧化,通過該方法可以將石墨烯裁成小碎片。
石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料,經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。
加成反應(yīng):利用石墨烯上的雙鍵,可以通過加成反應(yīng),加入需要的基團。
穩(wěn)定性:石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,碳碳鍵(carbon-carbon bond)僅為1.42。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌,當施加外力于石墨烯時,碳原子面會彎曲變形,使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力,從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外,石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發(fā)生擠撞,石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。 同時,石墨烯有芳香性,具有芳烴的性質(zhì)。

