中科院大化所&金属所、清华-伯克利深圳学院 AFM 综述：石墨烯和多孔石墨烯材料的化学和应用前景
【背景介绍】
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道构成六角型蜂巢状晶格的二维碳纳米材料，具有高比表面积、高杨氏模量、高电子迁移率和优异导热率等理化性质。石墨烯是我国“十三五”重点发展新材料之一，被列为先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料，在欧洲杯线上买球 、国家安全、航空航天、信息技术等领域具有重要应用前景。其中，氧化石墨烯和还原氧化石墨烯是两种典型的含有氧化基团和缺陷的单层石墨烯衍生物，可以通过sp、sp2和sp3杂化轨道与许多不同的原子键合，从而获得不同孔结构的石墨烯材料。特别是，多孔石墨烯材料可有效结合多孔材料和石墨烯的优点，不仅具有高比表面积、丰富孔隙，而且可以实现离子快速传输，在能源、催化、分离等领域受到广泛关注。因此，理解石墨烯和多孔石墨烯材料的化学本征性质、成孔内在机制及其功能应用角色，对未来设计和构筑新型石墨烯和多孔石墨烯材料，实现其在催化、能源、环境等应用具有重要的科学意义和应用价值。
【成果简介】
基于此，中科院大连化学物理研究所吴忠帅研究员及其团队与中科院金属研究所、清华-伯克利深圳学院成会明院士合作，系统综述了石墨烯和多孔石墨烯材料的化学和应用前景。该论文系统综述了石墨烯和多孔石墨烯材料的化学和应用前景。该论文首先详细介绍了石墨烯的表界面化学、组装化学和功能化学，重点总结了不同多孔（面内孔，二维层状孔、三维孔）石墨烯材料的构筑方法，揭示了不同孔结构的调控机制和表面化学修饰的重要性。其次，深入讨论了不同石墨烯和多孔石墨烯材料在超级电容器、二次电池、电催化、海水淡化、气体分离等重要应用中的化学作用和构效关系，强调了多孔石墨烯材料具备石墨烯和多孔材料的双重优势。最后，讨论了石墨烯和多孔石墨烯材料所面临的挑战，从仿生化学、组装化学、表界面化学等角度提出了可能的解决方案和发展策略（图1）。该综述论文可为深入理解石墨烯和多孔石墨烯的化学性质提供科学指导，并为其可控制备、理性构建及重要应用提供新的启示。研究成果“The Chemistry and Promising Applications of Graphene and Porous Graphene Materials”发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909035)上。
【图文解读】
图一、石墨烯和多孔石墨烯材料的化学与重要应用
图二、GO的OCFG分子结构示意图
图三、石墨烯边界结构、制备及表征
（a）单层石墨烯纳米条带（GNR）的锯齿状和扶手椅状边缘；
（b）能量水平；
（c）边缘定位态和能量最接近的块状态Kohn-Sham自旋轨道；
（d-f）用于解开掺杂纳米管以形成GNR的方法：化学路线、MWCNT的嵌入-剥落和催化方法的示意图；
（g, h）TEM图显示不规则边缘，以及锯齿形和扶手椅形边缘；
（i）高分辨率TEM（HRTEM）图显示清晰的锯齿形和扶手椅状边缘。
图四、面内孔石墨烯的制备及形貌表征
（a）通过表面促进的芳基-芳基偶联反应和所获得的三种多孔石墨烯结构由下而上的制备多孔石墨烯;
（b）聚亚苯基的超蜂窝网络边缘的扫描隧道显微镜(STM)图；
（c）制备石墨烯纳米网状的示意图；
（d）石墨烯纳米筛的TEM图；
（e）HGFs和HGF薄膜的制备过程示意图；
（f）HGF的SEM图；
（g）HGFs中有孔石墨烯的TEM图。
图五、二维层状介孔石墨烯的制备及形貌表征
（a）GOM-二氧化硅纳米片的制备工艺示意图。
（b-d）mPPy@GO纳米片的制备工艺示意图、SEM和TEM图。
图六、三维孔石墨烯材料的制备及形貌表征
（a）三维Fe3O4/N-GAs催化剂的制备工艺；
（b）三维石墨烯（ERGO）基复合材料的制备方法示意图；
（c）3D GF的合成并与PDMS集成；
（d）制备三维大孔MnO2/e-CMG薄膜的程序示意图；
（e）显示基于LSG的超级电容器的制备工艺示意图。
图七、不同掺杂石墨烯的制备
（a）N-掺杂石墨烯的N 1s XPS光谱；
（b-c）N-掺杂石墨烯的结构示意图和拉曼光谱；
（d）原始石墨烯和N-掺杂石墨烯的转移特性；
（e-f）原始石墨烯和N-掺杂石墨烯场效应晶