改善石墨烯界面反应的电化学方法

版权所有:郭雪峰(北京大学化学与分子工程学院)http://www.chem.pku.edu.cn/index.php?id=246

石墨烯(Graphene)是世界上最薄的呈蜂窝状的二维晶体材料,其非同寻常的优良特性预示其巨大的潜在应用前景。但是由于其组成是以sp2杂化轨道成键的单层碳原子,因此其结构非常稳定,反应活性不高。近期,北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授的研究团队通过电化学方法研究了石墨烯与重氮盐之间的固液界面反应。研究结果表明,电化学方法使此类反应速度实现了质的提升,将反应所需时间由以前的十几个小时缩减为秒钟量级。此外,电化学的引入也使得在反应进行的同时,对石墨烯表面进行电子或空穴的选择性掺杂修饰成为可能。

大量的前期探索性研究证明,石墨烯表面修饰的难点在于石墨烯稳定的价键结构导致其表面呈现出很强的反应惰性,同时其表面的疏水性质进一步地加大了界面反应的难度。该工作采用具有高度反应活性的重氮盐化合物,通过电化学方法提高石墨烯与重氮盐反应中产生的活性自由基的利用效率,进而加速反应进行。目前石墨烯与重氮盐反应采用的是自由扩散原理,重氮盐分解产生的活性自由基随机地分散在反应液中,由于石墨烯表面疏水性质导致相当一部分活性自由基在与石墨烯进行反应之前就被环境所淬灭。电化学法的优势在于,由于电荷传输的路径限制,重氮盐分解产生的活性自由基团基本上只产生于工作电极(阴极)表面,而此处采用的工作电极材料恰恰就是石墨烯本身,因此可以极大地改善活性自由基与石墨烯的接触,较好地避免活性自由基被环境所淬灭的问题。同时,由于电化学的氧化还原作用,可以对结合在石墨烯表面的活性基团进行可控的氧化或还原,进而实现在反应的同时,对石墨烯进行电子或空穴的选择性注入。

该项研究提供了一种进行石墨烯表面修饰的电化学方法。该方法简易可靠,且快捷灵活,利用不同的功能反应底物可以对石墨烯进行选择性修饰,有望实现对石墨烯能带及相关物性的调控,为未来基于石墨烯的纳电子器件或传感器件应用研究奠定了基础。

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