《石墨烯材料的共價修飾和光譜電化學研究》是依託東南大學，由張袁健擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯材料的共價修飾和光譜電化學研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張袁健
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
共價修飾是解決石墨烯套用諸多挑戰（如有效分散、電子能帶結構調節等）的一條有益的途徑，本項目擬利用電化學方法和光譜技術，探索可控共價修飾石墨烯的新方法，並對石墨烯共價修飾的相關基本問題進行研究。通過考察石墨烯共價修飾過程中其基本物性（分子結構、表面性質和電子能帶結構等）的變化，闡述共價修飾石墨烯反應的基本過程（機理、動力學、選擇性等），並揭示共價修飾對石墨烯性能的影響、規律性、機理和適用的領域。該項目將會為合理地調節和利用石墨烯的特性和發展具有實用價值的石墨烯基材料奠定基礎。此外，也會對探索更複雜尺度碳納米材料在能源、環境和感測等領域的套用提供實驗和理論指導。
結題摘要
石墨烯具有優異的電導率、載流子遷移率等性能，在很多領域展現出廣闊的套用前景。然而，由於溶解性差、禁頻寬度為零，限制了其潛在套用。理論上，石墨烯的電子結構、導電性和光學性能密切相關於其尺寸、摻雜和化學結構，因此，可以通過化學修飾來調控石墨烯的分子/電子結構以及相應的性能。同時，也可以在合成過程中，在其骨架中直接引入雜原子與碳原子形成共價鍵。新的碳-雜原子化學鍵的引入，將對石墨烯材料電子能帶結構產生深遠的影響，進而實現可控的調節。為此，我們利用上述兩種途徑探索了化學共價修飾石墨烯材料、調節其電子結構及其分析感測和光電化學催化套用。 發現通過加熱、電化學氧化或者還原等作用引發生成的小分子自由基可以與石墨烯骨架中sp2雜化的碳發生共價鍵合，從而實現功能小分子共價修飾到石墨烯材料表面。具有不同的空間位阻/空間結構和電負性的自由基嫁接劑分子共價修飾石墨烯的活性不一樣。並且，石墨烯的尺寸與反應活性有很大的關聯性。納米尺寸的石墨烯片層比微米尺度的石墨烯更容易發生上述共價化學反應。相同條件下，尺度小的石墨烯片層能夠嫁接更多的有機官能團，進而提供了調控石墨烯電子能帶結構更加實用的途徑。通過選擇不同取代基/電負性的自由基發生劑、不同尺度的原始石墨烯片，結合拉曼光譜技術，我們成功地對石墨烯的共價化學修飾進行了調控，並對其作用機理、動力學過程和選擇性進行了初步研究，實現對石墨烯表界面性質的干預，實現了對石墨烯分散性的良好調控。 探索了bottom-up的策略在共價修飾石墨烯材料、調節其電子能帶結構及其套用。通過聚合反應製備了含有-C=N-環結構的石墨相氮化碳材料，所得石墨烯基材料能帶被打開。通過利用海藻酸和明膠作為摻雜碳源，實現了C/N原子個數比的調節。修飾後石墨相材料在光電化學催化套用中，其電荷傳輸路徑、電荷分離效率可以得到一定的調控，更好的發揮它們的特性。提出了利用濃硫酸作為插層劑和質子化試劑實現了石墨相氮化碳材料的有效溶解。基於石墨烯結構氮化碳納米片在陰極和陽極不同電化學發光反應構建了雙信號感測器檢測金屬離子，選擇性、準確度大大提高。 這些研究成果對於理性地調節和利用石墨烯特殊結構帶來的特異性能、發展具有實用價值的石墨烯基材料特別是用於電化學能源與分析等領域意義重大，而且也會對探索更複雜尺度碳納米材料在能源、環境和感測等領域的套用提供實驗和理論指導。
