第1部分 基本原理 2
第1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
1.2.3形成机理——首次近似 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氧化石墨烯性质 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氧化石墨烯的酸性 21
1.4.6插层和功能化反应 24
1.4.7官能团以及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
2.3制备方法 35
2.4形成机理 37
2.4.1理论研究和系统复杂性 37
2.4.2第一步：阶段1 H2S04-GIC的形成 38
2.4.3第二步：阶段1 H2SO4-GIC转化为PGO 39
2.4.4PGO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化学结构和酸性的起源 46
2.6.1结构模型和真实的结构 46
2.6.2酸性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
3.3X射线光电子能谱 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
3.4.5GO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扫描电子显微镜 103
3.5.2原子力显微镜 104
3.5.3透射电子显微镜 106
3.5.4高分辨率透射电子显微镜 107
参考文献 110
第4章 氧化石墨烯分散体的流变性 112
4.1氧化石墨烯分散体的液晶特性 112
4.1.1液晶和Onsager理论 112
4.1.2向列相碳纳米材料 112
4.2GO液晶水系分散体的流变特性 114
4.2.1动态剪切特性 115
4.2.2均匀剪切特性 118
4.2.3结构的恢复 122
4.2.4调整GO分散体的流变性以实现可控制备 123
4.2.5具有极大Kerr系数的电光开关 125
4.3与其他体系的比较 127
4.3.1与含水聚合物基质体系比较 127
4.3.2GO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 氧化石墨烯的光学性质 135
5.1引言 135
5.2吸收特性 135
5.3拉曼散射 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氧化石墨烯的稳定性 163
6.3.1氧化石墨烯的热稳定性 163
6.3.2氧化石墨烯在水溶液中的稳定性及化学性质 163
6.3.3含氧功能化石墨烯的稳定性 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性质 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 212
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
7.2.3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 235
8.1太阳电池 235
8.2锂离子电池 236
8.2.1概述 236
8.2.2电化学原理 236
8.2.3负极应用 239
8.2.4正极应用 247
8.2.5新兴应用 251
8.3超级电容器 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赝电容特性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膜的其他应用 283
9.5.1燃料电池膜 283
9.5.2新一代电池的离子选择性膜 284
9.5.3脱水应用 284
9.6总结及研究展望 284
参考文献 285
第10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：机械性能 296
10.2.2电学性能 303
10.2.3热传导性 308
10.2.4阻隔性能 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热不稳定性 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
第11章 氧化石墨烯毒理学研究与生物医学应用 332
11.1引言 332
11.2氧化石墨烯毒理性 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其他因素 337
11.4氧化石墨烯生物医学应用 337
11.4.1氧化石墨烯在癌症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
第12章 催化 348
12.1引言 348
12.2氧化石墨烯性质 348
12.3氧化活性 350
12.3.1氧化石墨烯的氧化反应 350
12.3.2硫化物氧化 356
12.3.3功能化材料 358
12.4聚合反应 359
12.5氧还原反应 360
12.6Friedel-Crafts和Michael加成 363
12.7光催化 364
12.8其他层状碳基材料和GO复合材料的催化活性 364
12.8.1未功能化碳基纳米材料 364
12.8.2混合催化剂和选择性的应用 364
12.9展望 368
参考文献 368
第13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