石墨烯可与多种传统半导体材料形成异质结，如硅[64][65][66]，锗[67]，氧化锌[68]，硫化镉[69]、二硫化钼[70]等。其中，石墨烯/硅异质结器件是目前研究**为***、光电转换效率比较高（AM1.5）的一类光电器件。基于硅-石墨烯异质结光电探测器（SGPD），获得了极高的光伏响应[71]。相比于光电流响应，它不会因产生焦耳热而产生损耗。基于化学气象沉积法（CVD）生长的石墨烯光电探测器有很多其独特的优点。首先有极高的光伏响应，其次有极小的等效噪声功率可以探测极微弱的信号，常见的硅-石墨烯异质结光电探测器结构如图9.8所示。氧化石墨烯（GO）的光学性质与石墨烯有着很大差别。官能化...

RGO制备简单、自身具有受还原程度调控的带隙，可以实现超宽谱（从可见至太赫兹波段）探测。氧化石墨烯的还原程度对探测性能有***影响，随着氧化石墨烯还原程度的提高，探测器的响应率可以提高若干倍以上。因此，在CVD石墨烯方案的基础上，研究者开始尝试使用还原氧化石墨烯制备类似结构的光电探测器。对于RGO-Si器件，带间光子跃迁以及界面处的表面电荷积累，是影响光响应的重要因素[72]。2014年，Cao等[73]将氧化石墨烯分散液滴涂在硅线阵列上，而后通过热处理对氧化石墨烯进行热还原，制得了硅纳米线阵列(SiNW)-RGO异质结的室温超宽谱光探测器。该探测器在室温下，***实现了从可见光(532nm)...

氧化石墨烯（GO）表面有羟基、羧基、环氧基、羰基等亲水性的活性基团，且片层间距较大，使得氧化石墨烯具有超大比表面积和***的离子交换能力。GO的结构与水通蛋白相类似，而蛋白质本身具有优异的离子识别功能，由此可推断氧化石墨烯在分离、过滤及仿生离子传输等领域可能具有潜在的应用价值1-3。GO经过超声可以稳定地分散在水中，再通过传统成膜方法如旋涂、滴涂和真空抽滤等处理后，GO微片可呈现肉眼可见的层状薄膜堆叠，在薄膜的层与层之间形成具有选择性的二维纳米通道。 除此之外，GO由于片层间存在较强的氢键，力学性能优异，易脱离基底而**存在。基于GO薄膜制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优点，其在水净...

GO作为一种新型的药物载体材料，以其良好的生物相容性、较高的载药率、靶向给药等方面得到广泛的关注。GO作为递送药物的载体，它不仅可以负载小分子药物，也可以与抗体、DNA、蛋白质等大分子结合，如图7.2所示。普通的有机药物很多都含有π结构，而这些药物的水溶性都非常差，而GO具有较好的亲水性，因此可以借助分散性较好的GO基材料来解决这个问题，即将上述药物负载到GO基材料上，形成GO-药物混合物材料。这对改善难溶***物的水溶性，降低药物不良反应以及提高药物稳定性和生物利用度等方面有非常重要的研究意义。氧化石墨可以用于提高环氧树脂、聚乙烯、聚酰胺等聚合物的导热性能。附近氧化石墨膜RGO制备简单、自身...

氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在光电传感领域的应用，其基本依据是本章前面部分所涉及到的各种光学性质。氧化石墨烯因含氧官能团的存在具备了丰富的光学特性，在还原为还原氧化石墨烯的过程中，不同的还原程度又具备了不同的性质，从结构方面而言，是其SP2碳域与SP3碳域相互分割、相互影响、相互转化带来了如此丰富的特性。也正是这些官能团的存在，使得氧化石墨烯可以方便的采用各种基于溶液的方法适应多种场合的需要，克服了CVD和机械剥离石墨烯在转移和大面积应用时存在的缺点，也正是这些官能团的存在，使其便于实现功能化修饰，为其在不同场景的应用提供了一个广阔的平台。GO制备简单、自身具有受还原程度调控的带隙，可以实现超宽...

工业化和城市化导致天然地表水体中的有毒化学品排放，其中包括酚类、油污、***、农药和腐植酸等有机物，这些污染物在制药，石化，染料，农药等行业的废水中***检测到。许多研究集中在从水溶液中有效去除这些有毒污染物，如光催化，吸附和电解54-57。在这些方法中，由于吸附技术低成本，高效率和易于操作，远远优于其他技术。与传统的膜材料不同，GO作为碳质材料与有机分子的相互作用机理差异很大。新的界面作用可在GO膜内引入独特的传输机制，导致更有效地从水中去除有机污染物。石墨烯和GO对有机物的吸附机理的研究表明，疏水作用、π-π键交互作用、氢键、共价键和静电相互作用会影响石墨烯和GO对有机物的吸附能力。同时具...

配体交换作用即：氧化石墨烯上原有的配位体被溶液中的金属离子所取代，并以配位键的形式生成不溶于水的配合物，**终通过简单的过滤即可从溶液中去除。Tang等47对Fe与GO（质量比为1：7.5）复合及Fe与Mn（摩尔比为3∶1）复合的氧化石墨烯/铁-锰复合材料（GO/Fe-Mn）进行了吸附研究，通过一系列的实验表明，氧化石墨烯对Hg2+的吸附机理主要是配体交换作用，其比较大吸附量达到32.9mg/g。Hg2+可在水环境中形成Hg(OH)2，与铁锰氧化物中的活性点位（如-OH）发生配体交换作用，从而将Hg(OH)2固定在氧化石墨烯/铁-锰复合材料上，达到去除水环境中Hg2+的目的。氧化石墨烯经一定功...

氧化石墨烯同时具有荧光发射和荧光淬灭特性，广义而言，其自身已经可以作为一种传感材料，在生物、医学领域的应用充分说明了这一点。经过功能化的氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在更加***的领域内得到了应用，特别在光探测、光学成像、新型光源、非线性器件等光电传感相关领域有着丰富的应用。光电探测器是石墨烯问世后**早应用的领域之一。2009 年, Xia 等利用机械剥离的石墨烯制备出了***个石墨烯光电探测器（MGPD）[2]，如图9.6，以1-3 层石墨烯作为有源层，Ti/Pd/Au 作源漏电极，Si 作为背栅极并在其上沉淀300nm 厚的SiO2，在电极和石墨烯的接触面上因为功函数的不同，能带会发生弯曲并...

氧化石墨烯同时具有荧光发射和荧光淬灭特性，广义而言，其自身已经可以作为一种传感材料，在生物、医学领域的应用充分说明了这一点。经过功能化的氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在更加***的领域内得到了应用，特别在光探测、光学成像、新型光源、非线性器件等光电传感相关领域有着丰富的应用。光电探测器是石墨烯问世后**早应用的领域之一。2009 年, Xia 等利用机械剥离的石墨烯制备出了***个石墨烯光电探测器（MGPD）[2]，如图9.6，以1-3 层石墨烯作为有源层，Ti/Pd/Au 作源漏电极，Si 作为背栅极并在其上沉淀300nm 厚的SiO2，在电极和石墨烯的接触面上因为功函数的不同，能带会发生弯曲并...

光学材料的某些非线性性质是实现高性能集成光子器件的关键。光子芯片的许多重要功能，如全光开关，信号再生，超快通信都离不开它。找寻一种具有超高三阶非线性，并且易于加工各种功能性微纳结构的材料是众多的光学科研工作者的梦想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探针光谱表明，重度功能化的具有较大SP3区域的GO材料在高激发强度下可以出现饱和吸收、双光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，这种效应归因于在SP3结构域的光子中存在较大的带隙。相反，在具有较小带隙的SP2域中的*出现单光子吸收。石墨烯在飞秒脉冲激发下具有饱和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下为饱和吸收，高能量下则具有...

比较成熟的非线性材料有半导体可饱和吸收镜和碳纳米管可饱和吸收体。但是制作半导体可饱和吸收镜需要相对复杂和昂贵的超净制造系统，这类器件的典型恢复时间约为几个纳秒，且半导体可饱和吸收镜的光损伤阀值很低，常用的半导体饱和吸收镜吸收带宽较窄。碳纳米管是一种直接带隙材料，带隙大小由碳纳米管直径和属性决定。不同直径碳纳米管的混合可实现宽的非线性吸收带，覆盖常用的1.0～1.6 um激光増益发射波段。但是由于碳纳米管的管状形态会产生很大的散射损耗，提高了锁模阀值，限制了激光输出功率和效率，所以，研究人员一直在寻找一种具有高光损伤闽值、超快恢复时间、宽带宽和价格便宜等优点的饱和吸收材料。在用氧化还原法将石墨剥...

Su等人28利用氢碘酸和抗坏血酸对PET基底上的多层氧化石墨烯薄膜进行化学还原，得到30nm厚的RGO薄膜，并测试了其渗透性能。实验发现，对He原子和水分子完全不能透过。而厚度超过100 nm的RGO薄膜对几乎所有气体、液体和腐蚀性化学试剂（如HF）是高度不可渗透的。特殊的阻隔性能归因于石墨烯层压板的高度石墨化和在还原过程中几乎没有结构损坏。与此结果相反，Liu等人29已经证明了通过HI蒸气和水辅助分层制备**式超薄rGO膜的简便且可重复的方法，利用rGO膜的毛细管力和疏水性，通过水实现**终的分层。采用真空抽滤在微孔滤膜基底上制备厚度低至20nm的**式rGO薄膜。GO的生物毒性除了有浓度依...

GO在生理学环境下容易发生聚**影响其负载药物的能力，因此需要对GO进行功能化修饰来解决其容易团聚的问题。目前功能化修饰主要有以下几种：（1）共价键修饰，由于GO表面丰富的含氧官能团（羟基、羧基、环氧基），可与多种亲水性大分子通过酯键、酰胺键等共价键连接完成功能化，改善其稳定性、生物相容性等。常见的大分子有聚乙二醇(PEG)、聚赖氨酸、聚丙烯(PAA)和聚醚酰亚胺(PEI)等；（2）非共价键修饰[22-24]，GO片层内碳原子共同形成一个大的π 键，能够通过非共价π-π作用与芳香类化合物相互结合，不同种类的生物分子也可以通过氢键作用、范德华力和疏水作用等非共价作用力与GO结构中的SP2杂化部分...

氧化石墨烯基纳滤膜水通量远远大于传统的纳滤膜，但是氧化石墨烯纳滤膜对盐离子的截留率还有待提高。Gao等26利用过滤法在氧化石墨烯片层中间混合加入多壁碳纳米管（MWCNTs），复合膜的通量达到113 L/（m2.h.MPa），对于盐离子截留率提高，对于Na2SO4截留率可达到83.5%。Sun等27提出了一种全新的、精确可控的基于GO的复合渗透膜的设计思路，通过将单层二氧化钛（TO）纳米片嵌入具有温和紫外（UV）光照还原的氧化石墨烯（GO）层压材料中，所制备的RGO/TO杂化膜表现出优异的水脱盐性能。关于GO与水泥基复合材料的作用机制，研究者也有不同的观点，目前仍没有定论。附近哪里有氧化石墨常见...

由于较低的毒性和良好的生物相容性，石墨烯材料在细胞成像方面**了一股研究热潮。石墨烯及其衍生物本身具有特殊的平面结构和光学性质，或者经过荧光染料分子标记之后，可用于体外细胞与***光学成像[63-66]，使其在**显像和***方面具有很大的应用前景。Dai 课题组[67]***利用纳米尺寸的聚乙二醇功能化氧化石墨烯(GO-PEG)的近红外发光性质用于细胞成像。他们将抗体利妥昔单抗（anti-CD20）与纳米GO-PEG 共价结合形成纳米GO-PEG-anti-CD20，然后将纳米GO-PEG和纳米GO-PEG-anti-CD20与B细胞或T细胞在培养液中4℃培养1h，培养液中纳米GO-PEG的...

当前社会的快速发展造成了严重的重金属离子污染，重金属离子毒性大、分布广、难降解，一旦进入生态环境，严重威胁人类的生命健康。目前，含重金属离子废水的处理方法主要有化学沉淀法、膜分离法、离子交换法、吸附法等等。而使用纳米材料吸附重金属离子成为当前科研人员的研究热点。相对活性炭、碳纳米管等碳基吸附材料，氧化石墨烯的比表面积更大，表面官能团（如羧基、环氧基、羟基等）更为丰富，具有很好的亲水性，可以与金属离子作用富集分离水相中的金属离子；同时，氧化石墨烯片层可交联极性小分子或聚合物制备出氧化石墨烯纳米复合材料，吸附特性更加优异。GO具有独特的电子结构性能，可以通过荧光能量共振转移和非辐射偶极-偶极相互作...

氧化石墨烯（GO）与石墨烯的另一个区别是在吸收紫外/可见光后会发出荧光。通常可以在可见光波段观测到两个峰值，一个在蓝光段（400-500nm），另一个在红光段（600-700nm）。关于氧化石墨烯发射荧光的机理，学界仍有争论。此外，氧化石墨烯的荧光发射会随着还原的进行逐渐变化，在轻度化学还原过程中观察到GO光致发光光谱发生红移， 这一发现与其他人观察到的发生蓝移的现象相矛盾。这从另一个方面说明了氧化石墨烯结构的复杂性和性质的多样性。GO表面的各种官能团使其可与生物分子直接相互作用，易于化学修饰。无污染氧化石墨型号使得*在单层中排列的水蒸气可以渗透通过纳米通道。通过在GO纳米片之间夹入适当尺寸的...

工业化和城市化导致天然地表水体中的有毒化学品排放，其中包括酚类、油污、***、农药和腐植酸等有机物，这些污染物在制药，石化，染料，农药等行业的废水中***检测到。许多研究集中在从水溶液中有效去除这些有毒污染物，如光催化，吸附和电解54-57。在这些方法中，由于吸附技术低成本，高效率和易于操作，远远优于其他技术。与传统的膜材料不同，GO作为碳质材料与有机分子的相互作用机理差异很大。新的界面作用可在GO膜内引入独特的传输机制，导致更有效地从水中去除有机污染物。石墨烯和GO对有机物的吸附机理的研究表明，疏水作用、π-π键交互作用、氢键、共价键和静电相互作用会影响石墨烯和GO对有机物的吸附能力。氧化石...

GO的载药作用也可促进间充质干细胞的成骨分化。如用携带正电荷NH3+的GO（GO-NH3+）和携带负电荷COOH-的GO（GOCOOH-）交替层叠使其**外层为GO-COOH-，以这种GO作为载体，携带骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和P物质（SP）附着到钛（Ti）种植体上，结果以Ti为基底，表面覆盖GO-COOH-，携带BMP-2和SP（Ti/GO-/SP/BMP-2）种植体周围的新骨生成量要明显多于Ti/SP/BMP-2、Ti/GO-/BMP-2、Ti/GO-/SP。这证明GO可以同时携带BMP-2和SP到达局部并缓慢释放，增加局部BMP-2和SP的有效剂量且发挥生物活性作用[89,90]...

比较成熟的非线性材料有半导体可饱和吸收镜和碳纳米管可饱和吸收体。但是制作半导体可饱和吸收镜需要相对复杂和昂贵的超净制造系统，这类器件的典型恢复时间约为几个纳秒，且半导体可饱和吸收镜的光损伤阀值很低，常用的半导体饱和吸收镜吸收带宽较窄。碳纳米管是一种直接带隙材料，带隙大小由碳纳米管直径和属性决定。不同直径碳纳米管的混合可实现宽的非线性吸收带，覆盖常用的1.0～1.6 um激光増益发射波段。但是由于碳纳米管的管状形态会产生很大的散射损耗，提高了锁模阀值，限制了激光输出功率和效率，所以，研究人员一直在寻找一种具有高光损伤闽值、超快恢复时间、宽带宽和价格便宜等优点的饱和吸收材料。氧化石墨正式名称为石墨...

石墨烯可与多种传统半导体材料形成异质结，如硅[64][65][66]，锗[67]，氧化锌[68]，硫化镉[69]、二硫化钼[70]等。其中，石墨烯/硅异质结器件是目前研究**为***、光电转换效率比较高（AM1.5）的一类光电器件。基于硅-石墨烯异质结光电探测器（SGPD），获得了极高的光伏响应[71]。相比于光电流响应，它不会因产生焦耳热而产生损耗。基于化学气象沉积法（CVD）生长的石墨烯光电探测器有很多其独特的优点。首先有极高的光伏响应，其次有极小的等效噪声功率可以探测极微弱的信号，常见的硅-石墨烯异质结光电探测器结构如图9.8所示。碳基填料可以提高聚合物的热导率，但无法像提高导电性那么明...

氧化石墨烯（GO）的比表面积很大，而厚度只有几纳米，具有两亲性，表面的各种官能团使其可与生物分子直接相互作用，易于化学修饰，同时具有良好的生物相容性，超薄的GO纳米片很容易组装成纸片或直接在基材上进行加工。另外，GO具有独特的电子结构性能，可以通过荧光能量共振转移和非辐射偶极-偶极相互作用能有效猝灭荧光体（染料分子、量子点及上转换纳米材料）的荧光。这些特点都使GO成为制作传感器极好的基本材料[74-76]。Arben的研究中发现，将CdSe/ZnS量子点作为荧光供体，石墨、碳纤维、碳纳米管和GO作为荧光受体，以上几种碳材料对CdSe/ZnS量子点的荧光淬灭效率分别为66±17%、74±7%、7...

光学材料的某些非线性性质是实现高性能集成光子器件的关键。光子芯片的许多重要功能，如全光开关，信号再生，超快通信都离不开它。找寻一种具有超高三阶非线性，并且易于加工各种功能性微纳结构的材料是众多的光学科研工作者的梦想，也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。超快泵浦探针光谱表明，重度功能化的具有较大SP3区域的GO材料在高激发强度下可以出现饱和吸收、双光子吸收和多光子吸收[6][50][51][52]，这种效应归因于在SP3结构域的光子中存在较大的带隙。相反，在具有较小带隙的SP2域中的*出现单光子吸收。石墨烯在飞秒脉冲激发下具有饱和吸收[52]，而氧化石墨烯在低能量下为饱和吸收，高能量下则具有...

使得*在单层中排列的水蒸气可以渗透通过纳米通道。通过在GO纳米片之间夹入适当尺寸的间隔物来调节GO间距，可以制造广谱的GO膜，每个膜能够精确地分离特定尺寸范围内的目标离子和分子。水合作用力使得溶液中氧化石墨烯片层间隙的距离增大到1.3 nm，真正有效、可自由通过的孔道尺寸为0.9 nm，计算出水合半径小于0.45 nm的物质可以通过氧化石墨烯膜片，而水合半径大于0.45 nm的物质被截留，如图8.4所示。例如，脱盐要求GO的层间距小于0.7 nm，以从水中筛分水合Na +（水合半径为0.36nm）。 通过部分还原GO以减小水合官能团的尺寸或通过将堆叠的GO纳米片与小尺寸分子共价键合以克服水合力...

氧化石墨烯（GO）表面有羟基、羧基、环氧基、羰基等亲水性的活性基团，且片层间距较大，使得氧化石墨烯具有超大比表面积和***的离子交换能力。GO的结构与水通蛋白相类似，而蛋白质本身具有优异的离子识别功能，由此可推断氧化石墨烯在分离、过滤及仿生离子传输等领域可能具有潜在的应用价值1-3。GO经过超声可以稳定地分散在水中，再通过传统成膜方法如旋涂、滴涂和真空抽滤等处理后，GO微片可呈现肉眼可见的层状薄膜堆叠，在薄膜的层与层之间形成具有选择性的二维纳米通道。 除此之外，GO由于片层间存在较强的氢键，力学性能优异，易脱离基底而**存在。基于GO薄膜制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优点，其在水净...

尽管氧化石墨烯自身可以发射荧光，但有趣的是它也可以淬灭荧光。这两种看似相互矛盾的性质集于一身，正是由于氧化石墨烯化学成分的多样性、原子和电子层面的复杂结构造成的。众所周知，石墨形态的碳材料可以淬灭处于其表面的染料分子的荧光，同样的，在GO和RGO中存在的SP2区域可以淬灭临近一些物质的的荧光，如染料分子、共轭聚合物、量子点等，而GO的荧光淬灭效率在还原后还有进一步的提升。有很多文章定量分析了GO和RGO的荧光淬灭效率，研究表明，荧光淬灭特性来自于GO、RGO与辐射发生体之间的荧光共振能量转移或者非辐射偶极-偶极耦合。扫描隧道显微镜照片表明，在氧化石墨中氧原子排列为矩形。制备氧化石墨产品介绍Su...

利用化学交联和物理手段调控氧化石墨烯基膜片上的褶皱和片层间的距离是制备石墨烯基纳滤膜的主要手段。由于氧化石墨烯片层间隙距离小，Jin等24利用真空过滤法在石墨烯片层间加入单壁碳纳米管（SWCNT），氧化石墨烯片层间的距离明显增加，水通量可达到6600-7200L/（m2.h.MPa），大约是传统纳滤膜水通量的100倍，对于染料的截留率达到97.4%-98.7%。Joshi等25研究了真空抽滤GO分散液制备微米级厚度层状GO薄膜的渗透作用。通过一系列实验表明，GO膜在干燥状态下是真空压实的，但作为分子筛浸入水中后，能够阻挡所有水合半径大于0.45 nm的离子，半径小于0.45 nm的离子渗透速率...

GO的载药作用也可促进间充质干细胞的成骨分化。如用携带正电荷NH3+的GO（GO-NH3+）和携带负电荷COOH-的GO（GOCOOH-）交替层叠使其**外层为GO-COOH-，以这种GO作为载体，携带骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和P物质（SP）附着到钛（Ti）种植体上，结果以Ti为基底，表面覆盖GO-COOH-，携带BMP-2和SP（Ti/GO-/SP/BMP-2）种植体周围的新骨生成量要明显多于Ti/SP/BMP-2、Ti/GO-/BMP-2、Ti/GO-/SP。这证明GO可以同时携带BMP-2和SP到达局部并缓慢释放，增加局部BMP-2和SP的有效剂量且发挥生物活性作用[89,90]...

在氧化石墨烯的纳米孔道中，分布着氧化区域和纳米sp2杂化碳区域，水分子在通过氧化区域时能够与含氧官能团形成氢键，从而增加了水流动阻力，而在杂化碳区域水流阻力很小。芳香碳网中形成的大多数通路被含氧官能团有效阻挡，从而分离海水中Na+和Cl-等小分子物质12, 13。相比于其他纳米材料，GO为快速水输送提供了较多优越性能，如光滑无摩擦的表面，超薄的厚度和超高的机械强度，所有这些特性都提高了水的渗透性。前超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等膜技术，已经成功地应用到水处理的各个领域，引起越来越多的企业家和科学家的关注8-11。GO薄膜在海水淡化领域的应用主要是去除海水中的盐离子，探究GO薄膜的离子传质行为具有更...

由于较低的毒性和良好的生物相容性，石墨烯材料在细胞成像方面**了一股研究热潮。石墨烯及其衍生物本身具有特殊的平面结构和光学性质，或者经过荧光染料分子标记之后，可用于体外细胞与***光学成像[63-66]，使其在**显像和***方面具有很大的应用前景。Dai 课题组[67]***利用纳米尺寸的聚乙二醇功能化氧化石墨烯(GO-PEG)的近红外发光性质用于细胞成像。他们将抗体利妥昔单抗（anti-CD20）与纳米GO-PEG 共价结合形成纳米GO-PEG-anti-CD20，然后将纳米GO-PEG和纳米GO-PEG-anti-CD20与B细胞或T细胞在培养液中4℃培养1h，培养液中纳米GO-PEG的...