石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化互相形成平面共价键而组成的蜂窝状单层碳结构，也是众多纳米碳结构例如富勒烯、碳纳米管的基本结构单元。自2004年被Geim等成功制备以来，石墨烯以极高的机械强度、载流子迁移率和电导率、热导率、透光率、化学稳定性等特性，成为近年来的明星材料。受到学术和产业界的广泛关注。
然而，与这些无与伦比的性能相对，在生产和生活中实际应用的石墨烯材料所需要的性能则是多种多样的。例如，石墨烯是一种理论比表面积可达2630m2/g的材料，在表面化学、吸附等领域具有极大的应用潜力。但本征石墨烯的表面是平整的大π键结构，具有相当程度的化学惰性和疏水性，并且很容易堆叠、聚集，不利于石墨烯性能的发挥。
为了解决上述的问题，满足应用的需求，学者们在石墨烯的基础上添加其他成分和结构，形成一类新材料功能化石墨烯，它们在保持石墨烯大部分基本特性的同时，具有不同于本征石墨烯的新性能。由于各种修饰方法的引入，功能化石墨烯逐渐能够针对实际的需求进行合理的设计，其应用潜力也逐渐被开发出来，近年来其研究得到了飞速的发展！
本文综述了功能化石墨烯的最新进展。首先按照化学结构，从共价结合和非共价结合两个方面阐述了其制备方法。其次，按照具体的应用领域，归纳总结，叙述了近年来功能化石墨烯的最新研究成果。
1、制备方法
功能化石墨烯是由石墨烯衍生而来的。在过去的十多年中，石墨烯的制备方法经过不断发展，逐渐形成了以化学气相沉积法为代表的石墨烯薄膜制备和以氧化还原法为代表的石墨烯粉体制备两大类，如图1，2所示。前者的特点是石墨烯具有较高的结晶质量、较少的官能团含量和具有本征半导体的电子学性能，后者的特点则是石墨烯表面含有一定的含氧官能团，并具有疏松的结构，有利于其发挥较大比表面积的性能，并能够进行批量地生产。相应地，功能化石墨烯的制备也分别以本征石墨烯和氧化石墨烯作为原料。
1.1石墨烯的共价功能化
本征石墨烯表面完全由sp2碳原子构成。这是一种非常稳定的结构，使石墨烯在通常情况下具有很强的化学惰性。同时，这一结构使得石墨烯之间很容易堆叠聚集，并且疏水的本质也使石墨烯很难在水等溶剂中分散，降低了石墨烯在应用中的可操作性。
石墨烯的共价功能化旨在破坏这一稳定的结构，从而使石墨烯的表面活性化，便于在溶剂中分散，也有利于其在吸附等应用领域发挥作用，对平面π键结构的破坏，共价功能化石墨烯的导电、导热等性能一般较本征石墨烯有明显的下降。
1.1.1使用有机小分子进行官能团功能化
本征的石墨烯虽然具有化学惰性，但其π键在强烈的化学条件下，也能够发生一定类型的化学变化。和碳纳米管等类似，石墨烯的sp2碳结构可以直接与重氮盐等自由基试剂发生反应，通过选择适当的反应基体，可以实现在各种类型的石墨烯表面修饰所需的官能团，如图3所示。除此之外，本征石墨烯也能够和亲双烯体发生环加成作用，将sp2的碳碳键打开，生成功能化的产物。通过这种途径，能够方便地向石墨烯中引入含氮等杂原子的复杂环系，使其在多种应用领域发挥作用，这一点和其碳纳米管等是一致的。
Xu等利用乙酰内酮作为还原剂和氧化石墨烯反应，利用乙酰丙酮中活性的碳原子，一步反应中同时实现了还原和功能化，得到了表面接有高配位活性乙酰丙酮单元的功能化石墨烯。这种石墨烯不仅可以分散在水等多种溶剂中，还对CO2+，Cd2+等离子具有很强的吸附能力上。
1.1.2高分子的共价键接枝
除了有机小分子之外，很多高分子或其前驱体也能够通过类似的方式接到石墨烯的表面。Fang等通过在石墨烯表用重氮盐反应接上芳羟基，并随后进行自由基聚合，其中重氮盐产生的自由基直接作为反应的引发剂，结果将石墨烯与聚苯乙烯的表面相连接。高分子的连接有效地分隔了石墨烯的片层，避免了聚集现象，同时由于石墨烯的作用，高分子形成了一层排列较好的膜。
与此类似地，许多高分子前驱体的聚合反应能够在氧化石墨烯的悬浮液中进行，氧化石墨烯很自然地起到了将高分子交联起来的作用，不仅石墨烯自身的性能得到了发挥，也使高分子复合物整体上的性能得到了不同程度的提升。
除了自行聚合以外，高分子还可以使用其链端的活性官能团连接在氧化石墨烯的表面，这弥补了原位聚合中的一部分缺点，例如可以将各种各样的聚合物接枝在CA墨烯的表面，包括那些不能在石墨烯表面聚合的聚合物。Yu等通过化反应在GO上连接端基为羟基的P3HT分子，通过这些导电支链对石墨烯的电性能进行了峰饰。
石墨烯和高分子相互连接的一个最大特点，在于石墨烯和高分子很容易产生相互交联，从而形成网格状的结构，此外，石墨烯由于表面活性基团相对丰富，仅需很少的质量分数，就能使高分子的持性发生显著的改变。很多石墨烯高分子复合物在溶液中呈现凝胶的状态，而对于能够形成固体的复合物，则往往伴随物理性能的大幅改变。例如石墨烯聚乙烯醇体系中，仅需1％的氧化石墨烯即可使聚乙烯的力学性能大幅提高，抗拉强度和弹性模量分别提升88％和150％，并且由于其共价键的连接，断裂伸长率也有一定的增加。
1.2石墨烯的非共价修饰
在功能化石墨烯的实际应用中，通常既要求改善石墨烯的分散性、避免过多的聚集，又要求保持石墨烯固有的导电、导热能力，而共价键修饰时产生对石墨烯基车结的破坏，很难完全满足这两方面的要求，因而非共价键的修饰方法受到广泛关注。
1.2.1纳米粒子负载修饰
石墨烯作为一种具有巨大比表面积的材料，很容易通过表面吸附的方法，将其与各种已经证实具有优异性能的粒子复合起来。这里典型的粒子包括Ag、Fe3O4等金属或氧化物的纳米颗粒，它们通常是直接连接氧化石墨烯表面的官能团，或者通过一类稳定剂实现非共价连接到本征石墨烯的表面，如图6所示，这些纳米颗粒经过加热过程，仍然牢固粘接在石墨烯的表面。
聚乙烯醇除了能够以羟基和石墨烯进行共价结合以外，也是能够通过氢键和氧化石墨烯连接的典型例子，适量的聚乙烯醇加入即可使氧化石墨烯片互相连接形成复杂的网络结构，在水溶液中形成凝胶。
