Graphene Oxide: Physics and Applications By Jijun Zhao, Lizhao Liu, Fen Li
2015 | 161 Pages | ISBN: 3662448289 | PDF | 10 MB

This book gives a comprehensive overview of graphene oxides (GO) from atomic structures and fundamental properties to technological applications. Atomic structural models, electronic properties, mechanical properties, optical properties, and functionalizing and compositing of GO are illustrated. Moreover, the excellent physical and chemical properties offer GO promising applications in electronic nanodevices, chemical sensors and catalyst, energy storage, and biotechnology, which are also presented in this book. Therefore, this book is of interest to researchers in physics, chemistry, materials science, and nanoscience.
Contents
1   Fabrication and Reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.       1
1.1    Experimental Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
       1
1.2    Oxidation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
      4
1.3    Chemical Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.       7
1.3.1   Ways of Chemical Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       7
1.3.2   Theoretical Illustration of GO Reduction. . . . . . . . . . . . . . . .       9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .     11
2   Structural Characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.     15
2.1    Spectroscopic Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     
15
2.1.1   Solid-State NMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     15
2.1.2   XPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.     16
2.1.3   XANES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   
19
2.1.4   FT-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     20
2.1.5   Raman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
    20
2.2    Microscopic Characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   
22
2.2.1   TEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     22
2.2.2   STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     24
2.2.3   Other Microscopic Tools and Combined Techniques. . . . . . .     25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .     28
3   Structural Modeling and Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     31
3.1    Structural Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .     31
3.1.1   Sketching Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     31
3.1.2   Atomistic Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     33
3.2   Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .     39
3.2.1   Thermodynamic Stabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     39
3.2.2   Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     41
3.2.3   Electronic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     45
3.2.4   Optical Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     
48
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .     54
4   Application of GO in Electronics and Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     57
4.1    GO for Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .     57
4.1.1   Transparent Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     57
4.1.2   Field-Effect Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     59
4.1.3   Flexible Electronic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     62
4.1.4   Electrical Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     
65
4.2    GO for Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .     66
4.2.1   Fluorescence Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     66
4.2.2   SERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
    67
4.2.3   Nonlinear Optical Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     69
4.3    GO for Optoelectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     71
4.3.1   Photovoltaic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     71
4.3.2   Light-Emitting Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .     75
5   Application of GO in Energy Conversion and Storage . . . . . . . . . . . . .     79
5.1    Hydrogen Production and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     79
5.1.1   Photocatalytic Water Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     79
5.1.2   Physical Hydrogen Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     84
5.1.3   Chemical Hydrogen Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     89
5.2    Lithium Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .     91
5.2.1   Lithium Ion Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     91
5.2.2   Lithium-Sulfur Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     95
5.2.3   Lithium-Air Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     98
5.3    Supercapacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .   100
5.3.1   GO and RGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   100
5.3.2   GO/RGO Combined with Other Carbon Materials . . . . . . . .   103
5.3.3   GO/RGO-Transition Metal Oxide Composites . . . . . . . . . . .   104
5.3.4   Composites of GO/RGO and Conducting Polymers . . . . . . .   108
5.3.5   Other GO/RGO-Based Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   111
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .   112
6   Application of GO in Environmental Science. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   119
6.1    Air Pollutant Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.   119
6.1.1   Gas Adsorption and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   119
6.1.2   Gas Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   122
6.2   Water Purification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .   124
6.2.1   Capture of Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   124
6.2.2   Conversion of Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   129
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .   132
7   Application of GO in Biotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   
137
7.1    Biofunctionalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .   137
7.1.1   Interaction with Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   137
7.1.2   Interaction with DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   139
7.1.3   Interaction with Other Biomolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   140
7.2   Bioapplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .   141
7.2.1   Optical Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   141
7.2.2   Electrochemical Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   143
7.2.3   Enzyme Inhibitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   148
7.2.4   Drug Delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   
149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .   150
8   Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .   153

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