氟化石墨烯分子筛膜的表面功能化(4)
如图3氟化石墨在CHCl3环境中和超声剥离条件下向氟化石墨烯的转变过程所示，可见氟化石墨烯的分散液特征和氟化石墨烯的模型结构。氟化石墨烯是新型氟化碳材料成员中的一颗耀眼明星成员，与氢化石墨烯一样可以看作是石墨烯被部分或者全部氟化，从而使石墨烯中碳原子原本的杂化电子云结构被部分或者全部由其它的电子云杂化结构所替换。由于氟原子的影响使氟化石墨烯的形态不同于石墨烯的波纹状，但是依然保持着石墨烯的片状结构，而且呈现出的是平整的片状结构。氟化石墨烯分子表现出的是一个刚性的分子，虽然氟化石墨烯宏观上仍旧是二文结构的片状，但是根据能量最低原则，氟化石墨烯中的碳原子已经不在一个平面内，碳原子的空间构型呈现出的是稳定的椅型结构，而氟原子则按一定规律有序的分布在石墨烯片层的两侧。对于氟化石墨烯的具体性质和在实际中的应用将在下面具体介绍。
图3 氟化石墨向氟化石墨烯的转变过程[18]
1.2.4.1 氟化石墨烯的发展
从2004年英国 大学的究学者Geim和Novoselov首次制备出石墨烯以来，并发现其别具一格的独特结构所带来的优异性能后，新型石墨烯碳材料的理论研究和实际应用研究就没有停止过，随着科技的进步和新兴科技领域里对新材料的需求，为了能强化石墨烯的性能、赋予材料更多的功能和扩宽石墨烯的应用范围，近年来对石墨烯通过氢化、氟化、刻蚀、接枝等技术方法处理从而得到了许多结构和组成异常丰富多样和功能化独特明显的石墨烯衍生物，如氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯以及一些以此为基础的其他石墨烯有机物和石墨烯复合材料[12] 等。特别是氟化石墨烯，是石墨烯衍生物中比较新的一种先进纳米碳材料。由于晶体硅在半导体材料中的应用受到尺度的限制，因此研究者想利用石墨烯优异的性能，把纳米石墨烯作为能替换晶体硅的材料应用于半导体等电子设备领域。但是由于石墨烯是一种零能隙半导体材料，这让其在电子领域中的应用受到一些局限，研究表明对石墨烯的结构进行化学修饰等修改可以使石墨烯产生能带[19] 。以前对石墨烯进行加氢来扩宽能带，但是所得到的石墨烯衍生物的碳氢比不能精确调控，而且在高温下氢化石墨烯不稳定[11] 。但是氟化石墨烯可以克服这个缺点，能达到石墨烯碳氟比精确控制[20] ，而且氟化石墨烯具有较强的机械强度，热稳定性和化学稳定性相比于氢化石墨烯都高很多。不仅如此，氟化石墨烯由于氟原子的影响还有其他优异的性质，引起了研究者们的兴趣。因此对氟化石墨烯的研究是近年来石墨烯衍生物研究领域中的热点之一。
1.2.4.2 氟化石墨烯的性能与应用
近年来，在石墨烯结构中引入氟原子，由于氟原子自身的特点使氟化石墨烯在许多性质上都优于石墨烯和其他石墨烯衍生物。下面对氟化石墨烯的各种性质与特点进行重点介绍。氟化石墨烯是由于在结构中全部或部分引入了氟原子，与氟原子相连的碳原子由 杂化变为 杂化的石墨烯衍生物，改变了石墨烯的电子性能，打开了一个新的能隙。由于氟原子的电负性较大，因此电子在氟化石墨烯中的运动方式与石墨烯相差较大，而表现出较高绝缘性的特点[21] 。而且由密度泛函理论计算可得氟化石墨烯中的氟原子的椅型结构的能量低于船型结构的能量，氟原子以椅型排列[22] 。在光学方面比较可得石墨烯、部分氟化石墨烯和完全氟化石墨烯表现出完全不同的光学特性。石墨烯的吸收光谱在光能量小于2.5 eV时相对较平，但是在蓝光区显著增加，并且在紫外区(4.6 eV)有吸收峰。部分氟化的石墨烯具有较高的透明度，而氟化石墨烯在可见光波段是透明的，仅在蓝光区开始吸收光线[23] 。这表明，氟化石墨烯是一种宽能带半导体或带隙大于3.0eV的绝缘体，而对氟化石墨烯进行掺杂处理可以改变氟化石墨烯的能带，使其应用于传统电子器件成为可能[24] ，而且对氟化石墨烯进行掺杂改性还可以改变其对不同混合气体的吸附选择性，因此可以据此利用氟化石墨烯进行空气去湿、SO2脱除和沼气提纯等应用[22，25] 。Nair等人[26] 通过记录原子力显微镜（AFM）悬臂的弯曲来进行纳米压痕实验，与其位移做函数，从而计算膜上力的作用，值为100±30Nm-1或2D杨氏模量0.3TPa，比石墨烯大三倍。Park等人报道了利用超高真空摩擦力显微镜进行的氟化石墨烯的高级纳米级摩擦[27,28] ，测得法向力达到150nN时， 组成的氟化石墨烯其摩擦力比纯净石墨烯大吹冰倍，并且氟化石墨烯具有较高的强度和模量。同时氟化石墨烯的热稳定性和化学稳定性相比其他石墨烯衍生物都比较高。经过理论计算表明氟化石墨烯表面上的等量吸附热具有可调节性，在氟化石墨烯薄膜上通过纳米空隙和氟化作用的调节可以改变氟化石墨烯薄膜对某些混合气体的吸附选择性[29]，这在许多气体过滤提纯等方面具有重大的影响意义。上这些都是因为氟原子的引入的结果，而使氟化石墨烯具备了特殊的性质。