確定氧化石墨烯(GO)的精確化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于研究其相關(guān)性質(zhì)至關(guān)重要。然而，氧化官能團(tuán)在氧化石墨烯上的分布仍缺乏足夠的原子尺度研究。本文基于密度泛函理論進(jìn)行理論計(jì)算，探索氧化石墨烯上羥基和環(huán)氧基的熱力學(xué)分布。影響氧化石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素有三個(gè):電子分布、位阻和氫鍵增強(qiáng)，導(dǎo)致羥基和環(huán)氧基在氧化石墨烯的兩側(cè)緊密分布。因此，我們提出氧化官能團(tuán)在氧化石墨烯上的選擇性近端分布，并認(rèn)為島狀氧化區(qū)更有利于在氧化石墨烯的實(shí)際結(jié)構(gòu)上形成。這種選擇性的近似前臺(tái)階分布模式有助于解釋氧化石墨烯表面的起源和演化，并有助于理解二維單層結(jié)構(gòu)的微觀表面化學(xué)。
圖1. 氧化官能團(tuán)在氧化石墨烯上的不同分布位點(diǎn)。中間的灰色圓盤(pán)表示與原始氧化官能團(tuán)結(jié)合的初始位點(diǎn)，其他不同距離和相對(duì)位置的位點(diǎn)用不同顏色和數(shù)字標(biāo)記的圓盤(pán)來(lái)區(qū)分。
正數(shù)表示這里的氧化官能團(tuán)與原氧化官能團(tuán)分布在氧化石墨烯的同一側(cè)，負(fù)數(shù)表示這里的氧化官能團(tuán)與原氧化官能團(tuán)分布在氧化石墨烯的相反一側(cè)。
圖2: 優(yōu)化了(a) h
1和(b) e
1的結(jié)構(gòu)和結(jié)合能?；仪虼硖荚?，紅球代表氧原子，白球代表氫原子。(c)不同構(gòu)型h
2的E
b，其中實(shí)線(xiàn)表示表面h
2，虛線(xiàn)表示表面h
2。(d)不同分布部位表面h
2與表面h
2的E
b差異。(e)不同構(gòu)型下h
1e
1的E
b，實(shí)線(xiàn)表示表面h
1e
1，虛線(xiàn)表示下表面h
1e
1。HB表示氫鍵，后面的值(不帶HB)表示表面h
1e
1的E
b，其中O-H不指向環(huán)氧基團(tuán)，不形成氫鍵。(f)不同分布點(diǎn)h
1e
1的E
b差值，以各分布點(diǎn)地表h
1e
1最穩(wěn)定的E
b值為基線(xiàn)，設(shè)為零。紅線(xiàn)表示不同方向上表h
1e
1的E
b差，藍(lán)線(xiàn)表示表前h
1e
1與表h
1e
1的E
b差。
圖3. (a) h
1和(b) e
1的電子密度差分析。等值為±0.0005 e
-，其中電子給予量大于0.0005 e
-的區(qū)域?yàn)樗{(lán)色，電子接受量大于0.0005 e
-的區(qū)域?yàn)榫G色。重復(fù)(c) h
1和(d) e
1的電荷分析，其中正值表示接受電子，負(fù)值表示給予電子。(e)氧化石墨烯表面h
2的結(jié)合能與電子分布的關(guān)系。
圖4. (a) h
2， (b) h
3， (c) h
4， (d) h
5， (e) h
6最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和結(jié)合能。(f)從h
1到h
6最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中每個(gè)羥基的平均結(jié)合能。紅色球代表氧化石墨烯平面上方的氧原子，白色球代表氧化石墨烯平面上方的氫原子，橙色球代表氧化石墨烯平面下方的氧原子，淺灰色球代表氧化石墨烯平面下方的氫原子。
圖5.(a) h
2， (b) h
3， (c) h
4， (d) h
5， (e) h
6最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和結(jié)合能。(f)從h
1到h
6最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中每個(gè)羥基的平均結(jié)合能。紅色球代表氧化石墨烯平面上方的氧原子，白色球代表氧化石墨烯平面上方的氫原子，橙色球代表氧化石墨烯平面下方的氧原子，淺灰色球代表氧化石墨烯平面下方的氫原子。
相關(guān)研究成果由浙江大學(xué)
Zhen Xu和
Chao Gao等人2024年發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C (鏈接: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c06315)上。原文：Selective Proximate Antarafacial Distribution of Oxidized Functional Groups on Graphene Oxide
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
