磺化石墨烯的现状及展望
摘要：近年来，石墨烯材料不断进步，以其优秀但不完美的性质为基础，对其进行改性和补强，从而发展出了各种各样功能齐全的石墨烯材料品种，不断地产生一个又一个的热点。而由对氧化石墨烯进行修饰改性得来的磺化石墨烯(sulfonated graphene oxide,SGO)以它独特的性能在最近几年吸引了各界人士的注意。
关键词：磺化石墨烯；表面修饰氧化石墨烯；超级电容器
- 前置材料介绍(石墨烯及衍生物)
石墨烯是由sp2杂化的碳原子形成的单原子平面结构。2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov教授等首次通过机械剥离获得稳定存在的石墨烯（Graphene）[1]之后,其结构及性能引起国内外学术界的高度重视。石墨烯极大的比表面积、优异的力学、热学以及电学性能[2]使其在生物传感、生物分离、组织工程、药物控释等领域展现出了广阔的应用前景。
氧化石墨烯，是石墨烯的重要衍生物，是指石墨烯中至少有一个碳原子层的边界和表面连接有一种含氧官能团的二维碳材料，通常是由天然石墨氧化、超声分散制得。与石墨烯相比，氧化石墨烯含有大量的-OH，-C-O-C-，-C-O-和-COOH等含氧官能团，从而赋予其良好的分散性、亲水性、相容性等新的特性[3]，因此氧化石墨烯能与聚合物形成更强的界面相互作用，同时还能被小分子插层或剥离，将其作为纳米增强组分加入聚合物中，能有效改善聚合物的各项性能。氧化石墨烯拥有独特的平面结构、优异的抗菌性能以及非凡的力学性能，这使其在组织工程领域有很大潜力。并且氧化石墨烯生物相容性好，细胞毒性比石墨烯要低许多[4]。
还原氧化石墨烯(reduced oxide graphene)是指通过化学或热处理等方法，不完全去除石墨烯中的含氧官能团后得到的一种二维碳材料。功能化石墨烯(functionalized graphene)是指在石墨烯中含有异质原子或者分子（如氢、氟、含氧基团等表面修饰成键，氮、硼等元素替位掺杂，异质原子或者分子插层等）的一种二维碳材料。
- 超级电容器的前景
由于化石能源的匮乏以及环境问题的日益严重，能源已经成为人类在21世纪面临的最大挑战之一[5]。大功率、高能量密度的储能设备越来越受到研究者的重视，在新型储能设备当中，超级电容器因为环境友好、充放电速度快等优点更是受到广泛的关注。
- 对石墨烯进行改性的需求
电极材料是决定超级电容器性能的最主要因素，目前超级电容器电极材料中，MnO2因为其来源广泛、环境友好、较高的理论容量（1370 F/g）的特点应用最为普遍[6-9]。但是其较低的电导率（10～10-5 S/cm）和较低的比表面积限制了实际容量的发挥。为了提高超级电容器的能量性能，大部分工作集中在寻找创新的电极材料，包括碳材料、导电聚合物和过渡金属氧化物。
石墨烯以其超大的比表面积、良好的力学性能、高导热率、优异的电导率等特性[10]得到了广泛的应用。但是由于其强烈的层间范德华力作用，容易发生聚集，不亲油也不亲水，限制了对其进一步的研究与应用。因此，为了使石墨烯兼具高导电率、高分散性和高溶解性，对其表面功能化成为了研究的新热点[11]。
据David等人的报道，任何有机材料的磺化都能增强质子传输，从而促进并加快的电化学反应。
