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多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料，是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且相比惰性的石墨烯表面，孔的存在促进了物质运输效率的提高，特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子/分子的作用。更重要的是，孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙，促进了石墨烯在电子器件领域的应用。
多孔石墨烯材料结构示意图
多孔石墨烯（PG）又称石墨烯筛（GNM）是指在二维基面上具有纳米孔的碳材料。大量的理论和计算表明，PG中的孔是碳原子从晶格中被移除或者转移到表面而留下的空位，其本身是一种缺陷。对Gr进行高能粒子辐射、化学处理都会导致这种缺陷的产生。在制备的过程中，由于缺陷会影响Gr的电学性质、磁学性质和机械性质，尤其在电学性质中，缺陷造成载流子和声子散射，减少了传输路径，从而影响载流子的迁移率，因此需要尽量保持晶体结构的完整性。但孔缺陷并不都有弊，相反，孔缺陷还可以使Gr获得一些新的功能。如，的理论比表面积高达2640m2/g，但由于π-π电子的作用，很容易产生团聚，导致比表面积会出现大幅下降，而PG不会产生此种现象。
多孔石墨烯的理论基础及特性
在Gr中，理想的碳原子排列是六元环结构。 因此，把Gr裁剪成具有一定宽度准一维的纳米材料GNR可以获得两种不同的边缘结构类型——扶手型和锯齿形。具有锯齿形边缘的石墨烯通常呈金属性，而具有扶手型边缘的既可能呈金属性，也可能呈半导体型，这取决于纳米带的宽度。实际上，GNR的边缘是不规则的，并不严格遵守两种边缘结构类型。因为sp2杂化可以将碳原子排列成不同的多边形结构，只要满足特定的对称规律，非六元环的结构就可能出现。并且，轻微的结构变化都将导致两种边缘类型的GNR在导体性质上无差异。在PG中，这两种边缘结构是同时存在的，因此PG的电子结构不仅可以由其边缘的类型来决定，还取决于活性边缘的数量。然而，由于PG纳米孔的周期性和颈宽不一致，以及各个孔的形状和边缘形貌也不同，其电学性质表现出更复杂的行为。
除了对PG电学性质的研究之外，科学家还对GNM的力学性能进行了系统的分子动力学研究。当临界孔密度为15%时，GNM开始产生力学响应的过渡，此时断裂应变表现为密度的函数并具有最小值。当孔密度小于80%时，应力-应变曲线表明GNM的延展性随着孔密度的增加而增加，并且强度超过了5GPa。
PG有别于Gr的性质来源于纳米孔的引入。以氧化还原法制备Gr为例，在还原的过程中，表面的含氧官能团也随之被去除，片层间的静电斥力降低，导致Gr很容易发生团聚，这种团聚不仅降低比表面积，还会阻碍其他物质如电解质离子进入到Gr片层中。而PG由于面内不同尺寸孔的引入，避免了团聚造成的不利影响；介孔和大孔可以促进物质的渗透和输运；而微孔则有利于比表面积的提高。纳米孔结构的引入，使得PG具有高的比表面积、丰富的传质通道、可调控的能带隙、高的孔边缘活性、透气性、良好的机械稳定性以及生物化学传感等特性。 |
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