维C、葡萄糖、氨基酸和石墨烯背后那些你不知道的事#烯碳资讯#
2017-02-15 09:24阅读：
石墨烯是赫赫有名的新材料之王，而维生素、氨基酸、蛋白质都是人体必需的营业物质，这两种看起来八竿子打不着的东西其实有很大关系？对，你没看错。维C、蛋白质、氨基酸等都是氧化还原法制备石墨烯必不可少的绿色还原剂！
石墨烯
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性最强的一种新型纳米材料——石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。科学家甚至预言，石墨烯将会掀起一场席卷全球的颠覆性新技术、新产业革命。
目前，国内外制备石墨烯的方法通常为机械剥离法、化学气相沉积法( CVD) 、SiC 外延生长法、氧化还原法等。
在目前制备石墨烯的众多方法中，氧化还原法制备石墨烯具有成本低、产率高和可批量生产等特点，成为实现规模化制备石墨烯的有效途径之一。
1 氧化还原法制备石墨烯
氧化石墨烯还原法的主要步骤（见图1）包括首先将作为原料的石墨氧化得到氧化石墨，然后通过超声分散或者其他外力的作用将氧化石墨剥离为单层氧化石墨烯，再进一步通过一定的方法将其还原成石墨烯。近年来，氧化石墨烯还原方法的机理研究与探索等方面引发了研究人员的广泛关注。目前，制备氧
化石墨烯主要方法包括有Staudenmaier 法、Brodie 法、Hummers 法。
2 氧化还原法制备石墨烯中的绿色还原剂
在氧化还原法制备石墨烯的过程中，还原剂还原过程中存在易发生的污染问题，如在使用肼类还原得到的石墨烯尽管成功地解决了产物的团聚现象，但是，于此同时也使得经还原得到的石墨烯中引入了C-N
键，而且使用的水合肼的毒性很大，并不适合使用在大规模生产，工业，以及在生物医药当中。
同时，部分还原方法的还原条件苛刻、还原剂价格过于昂贵，反应过程中的污染，危险性以及对废液的处理难度较大等，无法实现石墨烯的规模化生产。因此发展出高效可控、绿色、廉价的还原剂显得越来越重要，发展绿色还原剂也成为制备石墨烯的研究中一个新的方法和途径。
01
维生素C
维生素C 是一种无毒的水溶性还原剂，其特点是具有较好的水溶性。反应除了在水溶液中，也可以在一些常见的有机溶剂如：DMF 和NMP
中制备高度稳定性的还原氧化石墨烯悬浮液，同时对生成的RGO有稳定作用。
Merino 等将0.1 mg/mL
浓度的氧化石墨烯在95℃和以下还原剂进行反应：水合肼，硼氢化钠，焦棓酚和维生素C，以水为溶剂，并用25%的氨水溶液将分散体的pH
调节至9～10，以达到通过静电排斥促进氧化石墨烯片的胶体稳定性的目的。
通过多种还原试剂对GO 悬浮液的还原效果的对比实验，研究发现唯一有希望在还原效果和安全性方面上代替水合肼还原GO
溶液的还原剂只有维生素C。除此之外，研究还发现维生素C
在反应过程中不仅起到还原剂的作用，更是起到了封端剂的作用。此还原方法不仅避免了使用有毒性的肼或水合肼试剂，而且无需再继续加入任何封端剂或表面活性剂。
02
还原性糖
还原性糖（葡萄糖、壳聚糖等）属于天然高分子，是一种无毒、环境友好型还原剂。Zhu
等用葡萄糖做还原剂，在氨溶液中还原氧化石墨烯。氨溶液与葡萄糖之间产生协同作用增加了反应率，而且更有助于反应中氧的除去，更有利于还原。同时，他们还对果糖、蔗糖等的还原效果进行了研究，同样表明还原
性糖对氧化石墨烯的还原作用。
使用葡萄糖还原的优点是，葡萄糖本身以及反应产物都是环境友好型物质，为还原GO
提供了一种绿色和简便的方法，生产出高品质的GNS。应当指出的是，除了温和的还原能力，氧化葡萄糖的产品也同时在稳定化制备的GNS
方面发挥重要作用。这个简单的方法可大规模生产实际应用水溶性GNS。
03
蛋白质及多肽
L-谷胱甘肽（GSH）是细胞中一种天然的抗氧化剂，同时还有封端剂的作用。Tuan Anh Pham 等将含0.1 mg/mL GO
和2 mg/mL GSH 的混合溶液超声1 h，并在50℃下反应6 h，待反应物恢复到室温时再超声1 h
即得能在水性介质中稳定分散的石墨烯薄片。FI-TR 的测试结果表明，在产物中一些含氧官能团的特征峰如 3227 cm−1，1547
cm−1，1713 cm−1 几乎消失不见，只保留了1534 cm−1 处的峰。同时在XPS 测试中 C-O、C=O 和O-C=O
官能团的特征吸收峰显著的降低。正如维生素C
一样，L-谷胱甘肽还原氧化石墨烯的机理到目前为止还有待研究，但L-谷胱甘肽的氧化产物可以用来比较稳定地还原氧化石墨烯。
利用L-谷胱甘肽还原GO，我们可以在相对较短的时间和相对温和的反应条件下制得稳定存在的石墨烯。
04
氨基酸
氨基酸是构成动物营养所需蛋白质的基本物质，具有良好的环境友好性和生物相容性。电子丰富的芳香基团和巯基类氨基酸已经被证明可以用来还原GO。以L-半胱氨酸为例，其结构含有易氧化巯基类，可以发生氧化还原反应，具有抗氧化的作用。
05
其他绿色还原剂
由于铝具有很高的还原电势（－1.68 V），Fan 等使用铝粉还原GO，反应时间只需30
min。将反应生成的石墨烯片层压缩成一个直径为15 mm 的碟片时它的导电率为2.1×103 S/m，比NaBH4
所还原的石墨烯片层高45 倍，但是比纯净的石墨导电能力低10 倍左右（3.2×104
S/m）。它的高导电能力可能是因为在化学反应中并没有引入其它的功能基团。通过综合XRD，Raman 和TGA
的分析结果可以得到还原的氧化石墨烯的热稳定性和石墨烯相同。
该方法的优点所需时间短、无毒，可以大规模的生产具有良好的导电性的石墨烯薄层。
3 小结
氧化石墨烯的绿色还原已经引起了相关研究人员的广泛关注，
采用绿色环保型还原剂如维生素C，大肠杆菌等生物大分子、微生物、植物提取物、柠檬酸钠等绿色还原剂和方法来还原氧化石墨烯不仅无毒无污染，而且反应一般都是在温和条件发生的，原料廉价易得，具备实现石墨烯的大规模制备的条件。
但上述方法同样也存在着一些问题，部分反应得到的石墨烯功能上还具有很大缺陷，同时部分还原反应的机理还有待进一步探索。
随着研究的不断深入，研究开发还原效果好且绿色的还原剂和将多种还原氧化石墨烯的方法的优点结合起来并应用于还原氧化石墨烯现已成为研究趋势。
