更新时间：2024-09-20 20:36
氧化石墨矿烯（英文：单原子碳链 氧化物，简称：GO），是石墨向石墨烯转变过程中的一类衍生物，即石墨氧化后经过超声剥离、分散和粉碎后得到的片层状物质，于1859年由牛津大学化学家本杰明·布罗迪（Benjamin Brodie）发现。
氧化石墨烯属于单原子层厚度的二维结构纳米材料，由sp2、sp3杂化的碳共同组成 ，其结构中存在羟基 、羧基和环氧基等多种含氧亲水性官能团 ，在水介质中具有良好的分散性。制备氧化石墨烯的方法主要有氧化法、溶剂剥离法、化学气相沉积法、微机械剥离法、金属表面外延法等，其中最为简便、成本较低、能够实现大规模生产的制备方法为氧化法。氧化法分为Staudenmaier法、Brodie法、Hummers法、Offeman法等。
由于具有制备成本低、成膜性好、比表面积大、易官能化等特点，氧化石墨烯在储能、电池、光催化、生物医学、传感器、水处理等领域具有较为广阔的应用前景，并广泛应用于改性聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯等发泡材料。
氧化天然石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得。主要有三种制备氧化石墨的方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制备过程的时效性相对较好而且制备过程中也比较安全，是目前最常用的一种。它采用硫酸中的高锰酸钾与天然石墨粉末经氧化反应之后，得到褐色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，此石墨薄片层可以经超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯，并在水中形成稳定、浅棕黄色的单层氧化石墨烯悬浮液。由于共轭网络受到严重的官能化，氧化石墨烯薄片具有绝缘的特质。经还原处理可进行部分还原，得到化学修饰的石墨烯薄片。虽然最后得到的天然石墨烯产物或还原氧化石墨烯都具有较多的缺陷，导致其导电性不如原始的石墨烯，不过这个氧化−剥离−还原的制程可有效地让不可溶的石墨粉末在水中变得可加工，提供制作还原氧化石墨烯的途径。而且其简易的制程及其溶液可加工性，考虑量产的工业制程中，上述工艺已成为制造石墨烯相关材料及组件的极具吸引力的工艺过程。
时至今日，制备氧化石墨烯新方法已经层出不穷了，大体上分为自顶向下方法和自底向上方法两大类。前者的思路是拆分鳞片天然石墨等制备氧化石墨烯，以传统三方法的改进方法为代表，还包括拆分（破开）碳纳米管的方法等等。后者是用各种碳源合成的方法，具体方法五花八门，种类繁多。
氧化石墨烯，作为从氧化石墨上剥离下来的单层材料，由于在表面及边缘上大量含氧基团的引入，可在水溶液以及极性溶剂中稳定存在。经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位，许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述，以便有利于石墨烯材料的进一步研究，虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱，核磁共振等手段对其结构进行分析，但由于种种原因(不同的制备方法，实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响)，氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。最近的理论分析表明氧化石墨烯的表面官能团并不是随机分布，而是具有高度的相关性。
作为石墨烯基材料一类重要的衍生物，尽管氧化过程破坏了石墨烯高度共轭结构，但是仍保持着特殊的表面性能与层状结构。含氧基团的引入不仅使得氧化石墨烯具有化学稳定性，而且为合成石墨烯基/氧化石墨烯基材料提供表面修饰活性位置和较大的比表面积。氧化石墨烯作为合成石墨烯基复合材料的前驱物与支撑载体，易功能化与可控性高。在与金属，金属氧化物，有机高分子化合物聚合物等材料复合过程中，可以提供大的比表面积有效分散附着材料，防止团聚。
氧化石墨烯也显示出自身优异的物理、化学、光学、电学性质，并且由于石墨烯片层BOBBIN的基面和边缘上有多种含氧官能团共存的结构，使得氧化石墨烯可以通过调控所含含氧官能团的种类及数量，来调制其导电性和带隙．材料应用范围很广。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机化合物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。
1、光电领域
2016年Karteri等人研究了具有SiO2/ GO双绝缘层的有机薄膜晶体管及其光响应特性器件， GO的加入不仅增加了绝缘层的种类和厚度，并且增强了晶体管的特性。
2、太阳能电池
使用GO替代PEDOT:PSS作为聚合物太阳能电池的空穴传输层，得到相近的光电转换效率(PCE)研究了不同GO层厚度对聚合物太阳能电池PCE的影响，发现GO薄膜层厚度为2 nm时，器件光电转换效率最高。
3、柔性传感器
由于GO含有众多亲水官能团，所以易于被修饰．另外其比表面积大，分散性好，具有良好的湿敏特性，使其成为一种理想的传感器材料，尤其在柔性传感器领域有很广泛的应用。
4、生物方面
GO以独特的机械、电子、光学性质使其在生物技术、生物医学工程、纳米医学、肿瘤治疗、组织工程、药物释放、生物成像和生物分子传感等方面都发挥了巨大的作用。与其它球形或平面形纳米材料相比,GO 比表面积大、强度高、易修改、并且具有良好的生物相容性。GO及其烯衍生物的尺寸、表面电荷、层数、横向尺寸和表面化学等参数都会对生物系统产生相应的影响，因此GO 的生物安全问题使其在临床应用上造成了一定的限制，包括它们的细胞毒性、体内毒性，遗传毒性及在某些器官(如肺和肝脏)中的生物蓄积性都有待进一步研究。随着材料科学的发展，我们必将运用毒性低、生物相容性更好的材料来修饰GO,从而制备出性质稳定、结构明确、安全无毒的GO,使其作为安全有效的医用材料进入更为广阔的临床研究之中。
前沿分享 | 氧化石墨烯与水的“拉扯”.西湖大学WestlakeUniversity微信公众平台.2024-01-19
graphene oxide.European Chemicals Agency.2024-01-19