Photochemical Modification of Graphene

doi:10.6023/A13080906

Abstract

Graphene, a two-dimensional (2D) atomic crystal composed of single-layer hexagonal mesh of carbon atoms, is one of the most exciting materials being investigated today. Graphene chemistry, the covalent functionalization of graphene as a giant molecule, provides a promising approach to controllably engineer graphene's band structure, create novel graphene derivatives and tailor the interfacial characteristics. One of the great challenges for graphene functionalization originates from its strong chemical stability, thus highly reactive chemical species are needed as the reactants. In recent years, we have been working on the photo-induced free radicals-based photochemistry of graphene, targeting the efficient graphene functionalization for its band structure engineering. Various photochemical modification methods have been developed, such as photochemical chlorination, photochemical methylation, photocatalytic oxidation and bifacially asymmetric functionalization of graphene. The homogeneous and nondestructive photochlorination of graphene could remove the conducting π-bands and open up a band gap in graphene. TiO₂-based photocatalytic oxidation of graphene could realize photochemical tailoring of graphene, including ribbon cutting, arbitrary patterning on any substrate, layer-by-layer thinning, and localized graphene to graphene oxidation conversion. Using photochemical reaction of graphene as a probe, we have investigated the dimension effects on graphene chemistry, including the thickness, stacking order, single- and double-side, and edge dependent reactivity in graphene. After two-step functionalization of graphene, we have fabricated the thinnest Janus disc named Janus graphene, which comprises two kinds of decorations separated by the one-atom-thick carbon layer. It is found that chemical decorations on one side are capable of affecting both chemical reactivity and wettability of the opposite side, indicative of communication between the two grafted decorations separated by a single-layer graphene. In this review, we select several typical examples to demonstrate such kinds of photochemical graphene engineering and its intrinsic 2D reaction characteristics, together with a brief discussion on the future directions, challenges and opportunities in this research area.

Key words: graphene, photochemistry, free radical, photochlorination, photocatalysis, asymmetric functionalization

Cite this article

Zhou Lin, Zhang Liming, Liao Lei, Yang Mingmei, Xie Qin, Peng Hailin, Liu Zhirong, Liu Zhongfan. Photochemical Modification of Graphene[J]. Acta Chimica Sinica, 2014, 72(3): 289-300.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.

[2] Landau, L. D. Phys. Z. Sowjetunion 1937, 11, 26.

[3] Peierls, R. E. Ann. I. H. Poincare1935, 5, 177.

[4] Mayorov, A. S.; Gorbachev, R. V.; Morozov, S. V.; Britnell, L.; Jalil, R.; Ponomarenko, L. A.; Blake, P.; Novoselov, K. S.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Geim, A. K. Nano Lett. 2011, 11, 2396.

[5] Morozov, S. V.; Novoselov, K. S.; Katsnelson, M. I.; Schedin, F.; Elias, D. C.; Jaszczak, J. A.; Geim, A. K. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 016602.

[6] Novoselov, K. S.; Falko, V. I.; Colombo, L.; Gellert, P. R.; Schwab, M. G.; Kim, K. Nature 2012, 490, 192.

[7] Moser, J.; Barreiro, A.; Bachtold, A. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 163513.

[8] Balandin, A. A. Nat. Mater. 2011, 10, 569.

[9] Lee, C. G.; Wei, X. D.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385-388.

[10] Liu, F.; Ming, P. B.; Li, J. Phys. Rev. B 2007, 76, 064120.

[11] Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308.

[12] Bunch, J. S.; Verbridge, S. S.; Alden, J. S.; van der Zande, A. M.; Parpia, J. M.; Craighead, H. G.; McEuen, P. L. Nano Lett. 2008, 8, 2458.

[13] Wu, Y. Q.; Lin, Y. M.; Bol, A. A.; Jenkins, K. A.; Xia, F. N.; Farmer, D. B.; Zhu, Y.; Avouris, P. Nature 2011, 472, 74.

[14] Gabor, N. M.; Song, J. C. W.; Ma, Q.; Nair, N. L.; Taychatanapat, T.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Levitov, L. S.; Jarillo-Herrero, P. Science 2011, 334, 648.

[15] Schedin, F.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Hill, E. W.; Blake, P.; Katsnelson, M. I.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 652.

[16] Bae, S.; Kim, H.; Lee, Y. B.; Xu, X. F.; Park, J.-S.; Zheng, Y.; Balakrishnan, J.; Lei, T.; Kim, H. R.; Song, Y. I.; Kim, Y.-J.; Kim, K. S.; Özyilmaz, B.; Ahn, J.-H.; Hong, B. H.; Iijima, S. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 574.

[17] Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.; Khotkevich, V. V.; Morozov, S. V.; Geim, A. K. Proc. Natl. Avad. Sci. U. S. A. 2005, 102, 10451.

[18] Li, X. L.; Zhang, G. Y.; Bai, X. D.; Sun, X. M.; Wang, X. R.; Wang, E. G.; Dai, H. J. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 538.

[19] Shih, C. J.; Vijayaraghavan, A.; Krishnan, R.; Sharma, R.; Han, J. H.; Ham, M. H.; Jin, Z.; Lin, S. C.; Paulus, G. L. C.; Reuel, N. F.; Wang, Q. H.; Blankschtein, D. ; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 439.

[20] Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y. Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Carbon 2007, 45, 1558.

[21] Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Dommett, G. H. B.; Kohlhaas, K. M.; Zimney, E. J.; Stach, E. A.; Piner, R. D.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Nature 2006, 442, 282.

[22] Berger, C.; Song, Z. M.; Li, T. B.; Li, X. B.; Ogbazghi, A. Y.; Feng, R.; Dai, Z. T.; Marchenkov, A. N.; Conrad, E. H.; First, P. N.; de Heer, W. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19912.

[23] Zhang, C. H.; Fu, L.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 308. (张朝华, 付磊, 张艳锋, 刘忠范, 化学学报, 2013, 71, 308.)

[24] Cai, J. M.; Ruffieux, P.; Jaafar, R.; Bieri, M.; Braun, T.; Blankenburg, S.; Muoth, M.; Seitsonen, A. P.; Saleh, M.; Feng, X. L.; Mullen, K.; Fasel, R. Nature 2010, 466, 470.

[25] Reina, A.; Jia, X. T.; Ho, J.; Nezich, D.; Son, H. B.; Bulovic, V.; Dresselhaus, M. S.; Kong, J. Nano Lett. 2009, 9, 30.

[26] Li, X. S.; Cai, W. W.; An, J. H.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312.

[27] Zou, Z. Y.; Dai, B. Y.; Liu, Z. F. Sci. China-Chem. 2013, 43, 1. (邹志宇, 戴博雅, 刘忠范, 中国科学: 化学, 2013, 43, 1.)

[28] Zhang, Y. F.; Gao, T.; Zhang, Y.; Liu, Z. F. Acta Phys-Chim. Sin. 2012, 28, 2456. (张艳锋, 高腾, 张玉, 刘忠范, 物理化学学报, 2012, 28, 2456.)

[29] Liao, L.; Bai, J. W.; Cheng, R.; Zhou, H. L.; Liu, L. X.; Liu, Y.; Huang, Y.; Duan, X. F. Nano Lett. 2011, 2653.

[30] Li, X. S.; Magnuson, C. W.; Venugopal, A.; Tromp, R. M.; Hannon, J. B.; Vogel, E. M.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 2816.

[31] Yan, K.; Peng, H. L.; Zhou, Y.; Li, H.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2011, 11, 1106.

[32] Dai, B. Y.; Fu, L.; Zou, Z. Y.; Wang, M.; Xu, H. T.; Wang, S.; Liu, Z. F. Nat. Commun. 2011, 2, 522.

[33] Yan, Z.; Lin, J.; Peng, Z. W.; Sun, Z. Z.; Zhu, Y.; Li, L.; Xiang, C. S.; Samuel, E. L.; Kittrell, C.; Tour, J. M. ACS Nano 2012, 6, 9110.

[34] Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Katsnelson, M. I.; Grigorieva, I. V.; Dubonos, S. V.; Firsov, A. A. Nature 2005, 438, 197.

[35] Han, M. Y.; Özyilmaz, B.; Zhang, Y. B.; Kim, P. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 206805.

[36] Son, Y. W.; Cohen, M. L.; Louie, S. G. Nature 2006, 444, 347.

[37] Jiao, L. Y.; Zhang, L.; Wang, X. R.; Diankov, G.; Dai, H. J. Nature 2009, 458, 877.

[38] Kosynkin, D. V.; Higginbotham, A. L.; Sinitskii, A.; Lomeda, J. R.; Dimiev, A.; Price, B. K.; Tour, J. M. Nature 2009, 458, 872.

[39] Bai, J. W.; Zhong, X.; Jiang, S.; Huang, Y.; Duan, X. F. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 190.

[40] Kim, M.; Safron, N. S.; Han, E.; Arnold, M. S.; Gopalan, P. Nano Lett. 2010, 10, 1125.

[41] Ohta, T.; Bostwick, A.; Seyller, T.; Horn, K.; Rotenberg, E. Science 2006, 313, 951.

[42] Castro, E. V.; Novoselov, K. S.; Morozov, S. V.; Peres, N. M. R.; Lopes dos Santos, J. M. B.; Nilsson, J.; Guinea, F.; Geim, A. K.; Castro Neto, A. H. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 216802.

[43] Weitz, R. T.; Allen, M. T.; Feldman, B. E.; Martin, J.; Yacoby, A. Science 2010, 330, 812.

[44] Zhang, Y. B.; Tang, T. T.; Girit, C.; Hao, Z.; Martin, M. C.; Zettl, A.; Crommie, M. F.; Shen, Y. R.; Wang, F. Nature 2009, 459, 820.

[45] Feldman, B. E.; Martin, J.; Yacoby, A. Nat. Phys. 2009, 5, 889.

[46] Li, B.; Zhou, L.; Wu, D.; Peng, H. L.; Yan, K.; Zhou, Y.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 5, 5957.

[47] Jeon, K. J.; Lee, Z.; Pollak, E.; Moreschini, L.; Bostwick, A.; Park, C. M.; Mendelsberg, R.; Radmilovic, V.; Kostecki, R.; Richardson, T. J.; Rotenberg, E. ACS Nano 2011, 5, 1042.

[48] Zhang, H.; Bekyarova, E.; Huang, J.-W.; Zhao, Z.; Bao, W. Z.; Wang, F. L.; Haddon, R. C.; Lau, C. N. Nano Lett. 2011, 11, 4047.

[49] Elias, D. C.; Nair, R. R.; Mohiuddin, T. M. G.; Morozov, S. V.; Blake, P.; Halsall, M. P.; Ferrari, A. C.; Boukhvalov, D. W.; Katsnelson, M. I.; Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Science 2009, 323, 610.

[50] Nair, R. R.; Ren, W. C.; Jalil, R.; Riaz, I.; Kravets, V. G.; Britnell, L.; Blake, P.; Schedin, F.; Mayorov, A. S.; Yuan, S. J.; Katsnelson, M. I.; Cheng, H. M.; Strupinski, W.; Bulusheva, L. G.; Okotrub, A. V.; Grigorieva, I. V.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Small 2010, 6, 2877.

[51] Robinson, J. T.; Burgess, J. S.; Junkermeier, C. E.; Badescu, S. C.; Reinecke, T. L.; Perkins, F. K.; Zalalutdniov, M. K.; Baldwin, J. W.; Culbertson, J. C.; Sheehan, P. E.; Snow, E. S. Nano Lett. 2010, 10, 3001.

[52] Sun, Z. Z.; Pint, C. L.; Marcano, D. C.; Zhang, C. G.; Yao, J.; Ruan, G. D.; Yan, Z.; Zhu, Y.; Hauge, R. H.; Tour, J. M. Nat. Commun. 2011, 2, 559.

[53] Li, D.; Muller, M. B.; Gilje, S.; Kaner, R. B.; Wallace, G. G. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 101.

[54] Lomeda, J. R.; Doyle, C. D.; Kosynkin, D. V.; Hwang, W. F.; Tour, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16201.

[55] Bonaccorso, F.; Sun, Z.; Hasan, T.; Ferrari, A. C. Nat. Photonics 2010, 4, 611.

[56] Luo, Z. T.; Vora, P. M.; Mele, E. J.; Johnson, A. T. C.; Kikkawa, J. M. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 111909.

[57] Kim, J.; Cote, L. J.; Kim, F.; Huang, J. X. J. Am. Chem. Soc. 2009, 132, 260.

[58] Xia, Q. F.; Luo, D.; Li, Z. J. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2079. (夏前芳, 罗丹, 李在均, 化学学报, 2012, 70, 2079.)

[59] Yang, S. B.; Feng, X. L.; Wang, X. C.; Müllen, K. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 5339.

[60] Zhang, Q.; Wu, S. Y.; He, M. W.; Zhang, L.; Liu, Y.; Li, J. H.; Song, X. M. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2213. (张谦, 吴抒遥, 何茂伟, 张玲, 刘洋, 李景虹, 宋溪明, 化学学报, 2012, 70, 2213.)

[61] Xie, W. J.; Fu, Y. Y.; Ma, H.; Zhang, M.; Fan, L. Z. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2169. (谢文菁, 傅英懿, 马红, 张沫, 范楼珍, 化学学报, 2012, 70, 2169.)

[62] Sun, X. M.; Liu, Z.; Welsher, K.; Robinson, J.; Goodwin, A.; Zaric, S.; Dai, H. J. Nano Res. 2008, 1, 203.

[63] Yang, K.; Zhang, S.; Zhang, G. X.; Sun, X. M.; Lee, S.-T.; Liu, Z. Nano Lett. 2010, 10, 3318.

[64] Kuila, T.; Bose, S.; Khanra, P.; Mishra, A. K.; Kim, N. H.; Lee, J. H. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 4637.

[65] Ryu, S.; Han, M. Y.; Maultzsch, J.; Heinz, T. F.; Kim, P.; Steigerwald, M. L.; Brus, L. E. Nano Lett. 2008, 8, 4597.

[66] Gong, P. W.; Wang, Z. F.; Li, Z. P.; Mi, Y. J.; Sun, J. F.; Niu, L. Y.; Wang, H. G.; Wang, J. Q.; Yang, S. R. RSC Adv. 2013, 3, 6327.

[67] Zhang, L. M.; Diao, S.; Nie, Y. F.; Yan, K.; Liu, N.; Dai, B. Y.; Xie, Q.; Reina, A.; Kong, J.; Liu, Z. F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 2706.

[68] Liu, L.; Ryu, S. M.; Tomasik, M. R.; Stolyarova, E.; Jung, N.; Hybertsen, M. S.; Steigerwald, M. L.; Brus, L. E.; Flynn, G. W. Nano Lett. 2008, 8, 1965.

[69] Bekyarova, E.; Itkis, M. E.; Ramesh, P.; Berger, C.; Sprinkle, M.; de Heer, W. A.; Haddon, R. C. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1336.

[70] Quintana, M.; Spyrou, K.; Grzelczak, M.; Browne, W. R.; Rudolf, P.; Prato, M. ACS Nano 2010, 4, 3527.

[71] Benson, S. W. J. Chem. Educ. 1965, 42, 502.

[72] Bansal, R. K. Organic Reaction Mechanisms, Tata McGraw Hill, New Delhi, 1978, Chapter 6.

[73] Mu, G. Z. Free Radical Reactions, Higher Education Press, Beijing, 1983, pp. 27～37. (穆光照, 自由基反应, 高等教育出版社, 北京, 1983, pp. 27～37.)

[74] Bowen, E. J.; Hinshelwood, C. N.; Sidgwick, N. V.; Thompson, H. W.; Wolfenden, J. H. Annu. Rep. Prog. Chem. 1932, 29, 13.

[75] Yang, M. M.; Zhou, L.; Wang, J. Y.; Liu, Z. F.; Liu, Z. R. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 844.

[76] Zhou, L.; Zhou, L. S.; Yang, M. M.; Wu, D.; Liao, L.; Yan, K.; Xie, Q.; Liu, Z. R.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1388.

[77] Milas, N. A.; Surgenor, D. M. J. Am. Chem. Soc. 1946, 68, 205.

[78] Noyes, J. W. A.; Duncan, A. B. F.; Manning, W. M. J. Chem. Phys. 1934, 2, 717.

[79] Liu, H. T.; Ryu, S. M.; Chen, Z. Y.; Steigerwald, M. L.; Nuckolls, C.; Brus, L. E. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17099.

[80] Liao, L.; Song, Z. H.; Zhou, Y.; Wang, H.; Xie, Q.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1348.

[81] Bermudez, V. M.; Robinson, J. T. Langmuir 2011, 27, 11026.

[82] Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37.

[83] Mills, A.; Hunte, S. L. J. Photochem. Photobiol., A 1997, 108, 1.

[84] Fujishima, A.; Zhang, X. T.; Tryk, D. A. Surf. Sci. Rep. 2008, 63, 515.

[85] Ishibashi, K.-i.; Nosaka, Y.; Hashimoto, K.; Fujishima, A. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 2117.

[86] Tatsuma, T.; Tachibana, S.-i.; Miwa, T.; Tryk, D. A.; Fujishima, A. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 8033.

[87] Barone, V.; Hod, O.; Scuseria, G. E. Nano Lett. 2006, 6, 2748.

[88] Grantab, R.; Shenoy, V. B.; Ruoff, R. S. Science 2010, 330, 946.

[89] Huang, P. Y.; Ruiz-Vargas, C. S.; van der Zande, A. M.; Whitney, W. S.; Levendorf, M. P.; Kevek, J. W.; Garg, S.; Alden, J. S.; Hustedt, C. J.; Zhu, Y.; Park, J.; McEuen, P. L.; Muller, D. A. Nature 2011, 469, 389.

[90] Geringer, V.; Liebmann, M.; Echtermeyer, T.; Runte, S.; Schmidt, M.; Ruckamp, R.; Lemme, M. C.; Morgenstern, M. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 076102.

[91] Meyer, J. C.; Geim, A. K.; Katsnelson, M. I.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Roth, S. Nature 2007, 446, 60.

[92] Sharma, R.; Baik, J. H.; Perera, C. J.; Strano, M. S. Nano Lett. 2010, 10, 398.

[93] Luican, A.; Li, G. H.; Reina, A.; Kong, J.; Nair, R. R.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Andrei, E. Y. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 126802.

[94] Wang, Y. Y.; Ni, Z. H.; Liu, L.; Liu, Y. H.; Cong, C. X.; Yu, T.; Wang, X. J.; Shen, D. Z.; Shen, Z. X. ACS Nano 2010, 4, 4074.

[95] Lopes dos Santos, J. M. B.; Peres, N. M. R.; Castro Neto, A. H. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 256802.

[96] Craciun, M. F.; Russo, S.; Yamamoto, M.; Oostinga, J. B.; Morpurgo, A. F.; Tarucha, S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 383.

[97] Lui, C. H.; Li, Z. Q.; Mak, K. F.; Cappelluti, E.; Heinz, T. F. Nat. Phys. 2011, 7, 944.

[98] Bao, W.; Jing, L.; Velasco Jr, J.; Lee, Y.; Liu, G.; Tran, D.; Standley, B.; Aykol, M.; Cronin, S. B.; Smirnov, D.; Koshino, M.; McCann, E.; Bockrath, M.; Lau, C. N. Nat. Phys. 2011, 7, 948.

[99] Liu, N.; Fu, L.; Dai, B. Y.; Yan, K.; Liu, X.; Zhao, R. Q.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2011, 11, 297.

[100] Yang, M. M.; Zhao, R. Q.; Wang, J. Y.; Zhang, L. M.; Xie, Q.; Liu, Z. F.; Liu, Z. R. J. Appl. Phys. 2013, 113, 084313.

[101] Zhang, L. M.; Yu, J. W.; Yang, M. M.; Xie, Q.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Nat. Commun. 2013, 4, 1443.

[102] Zhang, Y. H.; Zhou, K. G.; Xie, K. F.; Zeng, J.; Zhang, H. L.; Peng, Y. Nanotechnology 2010, 21, 065201.

[103] Basu, D.; Gilbert, M. J.; Register, L. F.; Banerjee, S. K.; MacDonald, A. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 042114.

[104] Dutta, S.; Pati, S. K. J. Mater. Chem. 2010, 20, 8207.

[105] Son, Y. W.; Cohen, M. L.; Louie, S. G. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 216803.

石墨烯的光化学修饰方法