诺森氧化石墨烯基本原理与应用

译者序
原书序
原书前言
本书主编
本书参编
部分 基本原理
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..形成机理——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21
1.4.6插层和功能化反应24
1.4.7官团以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
.制备方法35
2.4形成机理37
2.4.1理论研究和系统复杂37
2.4.2步：阶段1 H2SO4-GIC的形成38
2.4.3第二步：阶段1 H2SO4-GIC转化为PGO39
2.4.4 PGO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化学结构和酸的起源46
2.6.1结构模型和真实的结构46
2.6.2酸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
3.3 X线光能谱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
3.4.5 GO 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扫描显微镜103
3.5.2原子力显微镜104
3.5.3透显微镜106
3.5.4高分辨率透显微镜107
参考文献110
第4章 氧化石墨烯分散体的流变112
4.1氧化石墨烯分散体的液晶特112
4.1.1液晶和Onsager理论112
4.1.2向列相碳纳米材料112
4.2 GO液晶水系分散体的流变特114
4.2.1动态剪切特115
4.2.2均匀剪切特11
4..结构的恢复122
4.2.4调整GO分散体的流变以实现可控制备1
4.2.5具有极大Kerr系数的电光开关125
4.3与体系的比较127
4.3.1与含水聚合物基质体系比较127
4.3.2 GO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 氧化石墨烯的光学质135
5.1引言135
5.2吸收特135
5.3拉曼散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163
6.3.1氧化石墨烯的热稳定163
6.3.2氧化石墨烯在水溶液中的稳定及化学质163
6.3.3含氧功能化石墨烯的稳定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
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..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5
8.1太阳电池5
8.2锂离子电池
8.2.1概述
8.2.2电化学原理
8..负极应用
8.2.4正极应用247
8.2.5新兴应用251
8.3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膜24
9.5.3脱水应用284
9.6总结及研究展望284
参考文献285
0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：机械能296
10.2.2电学能303
10..热传导30
10.2.4阻隔能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
1章 氧化石墨烯毒理学与物医学应用332
11.1引言332
11.2氧化石墨烯毒理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
2章 催化348
12.1引言348
12.2氧化石墨烯质348
1.氧化活350
1..1氧化石墨烯的氧化反应350
1..2硫化物氧化356
1..功能化材料358
12.4聚合反应359
12.5氧还原反应360
12.6 Friedel-Crafts和Michael加成363
12.7光催化364
12.8层状碳基材料和GO复合材料的催化活364
12.8.1未功能化碳基纳米材料364
12.8.2混合催化剂和选择的应364
12.9展望368
参考文献368
3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

Ayrat M.Dimiev博士，优选碳纳米结构实验室，喀山联邦大学，喀山，俄罗斯。



Ayrat M.Dimiev在位于俄罗斯喀山市的喀山联邦大学获得物理化学专业博士。在喀山农业大学任职理教授三年后，他移居到美国教授靠前高中化学课程。在2018年，他加入莱斯大学James M.Tour教授课题组，在这里他开始在碳领域的研究。他的探究涵盖领域有碳纳米管剪开、碳基介电复合材料、石墨插层化合物以及氧化石墨烯化学特等。他在相关领域终的贡献是揭示了石墨插层混合物中阶段转化机理，以及发展了氧化石墨烯的动力学结构模型。2013年，Dimiev博士接受来自AZ材料（现在是美国EMD功能材料有限公司，是德国达姆施塔特市Merck KGaA企业的业务）的个人邀请，去帮发展他们新启动的碳项目。在美国EMD功能材料有限公司期间，他将自己领域里的专长用于建立和商业化由氧化石墨烯和碳纳米结构组成的新产品。2016年5月，Dimiev博士作为喀山联邦大学优选碳纳米结构实验室的负责人回到他在喀山的母校。Dimiev博士在碳领域发表了18篇，引用累计超过2000次，同时他拥有5项新发明应用。



Siried Eigler博士 ，化学和化工学院，查尔姆斯理工大学，哥德堡，瑞典。



Siried Eigler于2016年在Friedrich-Alexander大学Norbert Jux教授指导下获得有机化学专业博士。随后，他在日本DIC有限公司分部DIC-柏林股份有限公司开展工业研究。相关研究集中在导高分和新型半导体单体上。2009年，他开始关于氧化石墨烯合成和应用的研究工作。两年后，他成为Friedrich-Alexander大学讲师和研究理。在那里，他开展关于氧化石墨烯合成的深入研究，并且他通过控制合成方法实现了避免碳晶格缺陷。基于这个发现，他可以研究氧化石墨烯可控的化学特，并且合成了几种新的石墨烯衍生物和复合材料。目前，他的研究集中在石墨烯化学特的优选控制上。Eigler博士已发表27篇碳研究相关的文章，并且申请湿化学合成石墨烯相关一项，该技术可以实现缺点密度控制。他接受了瑞典哥德堡市查尔姆斯理工大学提供的职位，在2016年开始成为副教授。

本书系统地介绍了氧化石墨烯自1纪起的历史发展沿革，不仅涵盖了氧化石墨烯合成过程机理、结构模型、成分组成、化学质、能谱表征结果以及功能化修饰等相关内容，同时也介绍了氧化石墨烯在传感器件、能源收集存储、薄膜宏观体、复合材料、生物医学、化学催化以及工业化生产方面应用的新研究进展。本书内容全面详尽，内容深度和机理解释客观，是一本学习氧化石墨烯基础原理与相关应用研究的经典著作。

氧化石墨烯（GO）已成为近10年来研究广泛的材料之一。它促进了化学／物理和材料科学领域的大规模跨学科研究。由于其的能，GO已成功通过多种应用测试。这一富有成果的研究领域已经产生了大量的出版物。一些综述文章总结了新进展。然而截至目前，将所有已发表的研究进行系统化，并且帮对这一领域感兴趣的非专家读者方面只做了少量工作。本书旨在完成这项任务，每章的内容和本书总体上都是从基础到复杂，以经典科学领域中典型的类别呈现。这使得本书与众不同，有别于文献。
本书系统地介绍了氧化石墨烯自1纪起的历史发展沿革，不仅涵盖了氧化石墨烯合成过程机理、结构模型、成分组成、化学质、能谱表征结果以及功能化修饰等相关内容，同时也介绍了氧化石墨烯在传感器件、能源收集存储、薄膜宏观体、复合材料、生物医学、化学催化以及工业化生产方面应用的新研究进展。本书内容全面详尽，内容深度和机理解释客观，是一本学习氧化石墨烯基本原理与相关应用研究的经典著作，很适合石墨烯功能材料领域化学、材料、物理、生物等学科师生以及研究者参阅。