酸化グラファイト

グラファイト酸化物（GO）は、以前はグラファイト酸化物またはグラファイト酸と呼ばれ、炭素、酸素、水素のさまざまな比率の化合物であり、グラファイトを強力な酸化剤と酸で処理して余分な金属を分解することによって得られます。最大限に酸化されたバルク製品は、C：O比が2.1〜2.9の黄色の固体で、グラファイトの層構造を保持していますが、間隔がはるかに大きく不規則です。^{[2] [3]}

バルク材料は塩基性溶液中で自然に分散するか、極性溶媒中で超音波処理によって分散して単分子シートを生成することができ、グラファイトの単層形態であるグラフェンに類似してグラフェン酸化物として知られる。 ^[4]グラフェン酸化物シートは、強力な紙のような材料、膜、薄膜、複合材料の製造に使用されている。当初、グラフェン酸化物はグラフェン製造の中間体として大きな関心を集めた。グラフェン酸化物の還元によって得られるグラフェンには依然として多くの化学的および構造的欠陥があり、一部の用途では問題となるが、他の用途では利点となる。^{[5] [6]}

グラファイト酸化物は、1859年にオックスフォード大学の化学者ベンジャミン・C・ブロディが、グラファイトを塩素酸カリウムと発煙硝酸の混合物で処理することによって初めて調製しました。^[7]彼は、厚さ0.05 mmの「紙のような箔」の合成を報告しました。1957年にハマーズとオフェマンは、硫酸H ₂ SO ₄、硝酸ナトリウムNaNO ₃、過マンガン酸カリウムKMnO ₄の混合物を使用する、より安全で迅速かつ効率的なハマーズ法と呼ばれるプロセスを開発しました。この方法は、いくつかの修正を加えて現在でも広く使用されています。^{[2] [8] [9]}非常に純粋な反応物と溶媒を使用して、不活性容器内で、非常に完全な炭素骨格と最小限の残留不純物濃度を備えた最大の単層GOを合成できます。^[10]

酸化グラファイトは、酸化度と合成方法によって特性が大きく異なります。^{[11] [12]}例えば、爆発剥離の温度点は、ブロディ法で製造された酸化グラファイトの方がハマース法で製造された酸化グラファイトよりも一般的に高く、同じ加熱速度で最大100度の違いがあります。^[13]ブロディ法とハマース法の酸化グラファイトの水和特性と溶媒和特性も著しく異なります。^[14]

_{最近、H 2} SO ₄とKMnO ₄の混合物を使用してカーボンナノチューブを縦に切断し、数原子幅の微細な平らなグラフェンリボンが得られ、その端は酸素原子（=O）またはヒドロキシル基（-OH）で覆われている。^[15]

グラファイト（グラフェン）酸化物は、グルコースを唯一の供給源とする「ボトムアップ」合成法（Tang-Lau法）を使用しても製造されており、このプロセスは、強力な酸化剤が関与する従来の「トップダウン」法と比較して、より安全で、よりシンプルで、より環境に優しい。Tang-Lau法のもう1つの重要な利点は、成長パラメータを調整することにより、単層から多層までの厚さを制御できることである。^[16]

グラファイト酸化物の構造と特性は、特定の合成方法と酸化度によって異なります。^{[11] [12]}通常、親グラファイトの層構造が保持されますが、層は座屈しており、層間間隔はグラファイトの約2倍（約0.7 nm）広くなります。厳密に言えば、「酸化物」は不正確ですが、歴史的に確立された名前です。エポキシド基（酸素原子を架橋する）に加えて、実験的に発見された他の官能基は次のとおりです：^[11] カルボニル（C = O）、ヒドロキシル（-OH） 、フェノール。硫酸を使用して調製されたグラファイト酸化物（例：ハマーズ法）の場合、硫黄の不純物が、たとえば有機硫酸基の形でしばしば見つかります。^{[17] [18] [19] [20] [21] [22]} 層の強い無秩序と不規則なパッキングのため、詳細な構造はまだわかっていません。

酸化グラフェン層の厚さは約 1.1 ± 0.2 nm です。^{[17] [18]} 走査トンネル顕微鏡では、酸素原子が格子定数0.27 nm × 0.41 nmの長方形パターンで配置されている局所領域の存在が示されています。 ^{[18] [23]}各層の端はカルボキシル基とカルボニル基で終端されています。^[17] X 線光電子分光法では、いくつかの C _{1 s}ピークの存在が示されており、その数と相対的な強度は、使用される特定の酸化方法によって異なります。これらのピークを特定の炭素機能化タイプに割り当てることはやや不確実であり、まだ議論が続いています。たとえば、1 つの解釈は次のとおりです。酸素化されていないリングコンテキスト (284.8 eV)、CO (286.2 eV)、C=O (287.8 eV)、OC=O (289.0 eV)。^[24]密度汎関数理論計算を用いた別の解釈は次のようになる：官能基や五角形などの欠陥のあるC=C（283.6 eV）、C=C（酸素化されていない環のコンテキスト）（284.3 eV）、基底面のsp ³ C-Hおよび官能基のあるC=C（285.0 eV）、官能基のあるC=OおよびC=C、CO（286.5 eV）、およびOC=O（288.3 eV）。^[25]

グラファイト酸化物は親水性で、水蒸気にさらされたり液体の水に浸されると容易に水和し、その結果、面間距離が明らかに増加します（飽和状態で最大 1.2 nm）。高圧誘起効果により、追加の水も層間空間に組み込まれます。 ^[26]液体水中のグラファイト酸化物の最大水和状態は、2〜3 個の水単分子層の挿入に相当します。グラファイト酸化物/H ₂ O サンプルを冷却すると、「擬似負の熱膨張」が発生し、水の凝固点以下に冷却すると、1 個の水単分子層の挿入が解除され、格子収縮が発生します。^[14] 60〜80 °C で加熱すると材料が部分的に分解および劣化するため、構造から水を完全に除去することは困難と思われます。

水と同様に、グラファイト酸化物はアルコールなどの他の極性溶媒を容易に取り込む。しかし、極性溶媒の挿入は、ブロディグラファイト酸化物とハマーズグラファイト酸化物では大きく異なる。ブロディグラファイト酸化物は、液体溶媒が過剰に存在する場合、 1つのアルコール単分子層と他のいくつかの溶媒（ジメチルホルムアミドやアセトンなど）によって常温で挿入される。グラファイト酸化物層の分離は、アルコール分子のサイズに比例する。 ^[29]ブロディグラファイト酸化物を過剰の液体メタノール、エタノール、アセトン、ジメチルホルムアミドに浸漬すると、追加の溶媒単分子層の段階的な挿入と格子膨張が生じる。X線回折と示差走査熱量測定（DSC）によって検出された相転移は可逆的であり、サンプルを低温から加熱すると、溶媒単分子層の挿入解除が観察される。^[30] 高圧条件下では、追加のメタノールとエタノール単分子層がブロディグラファイト酸化物の構造に可逆的に挿入される。^[29]

ハマースグラファイト酸化物は室温で2つのメタノールまたはエタノール単分子層とインターカレーションされる。過剰量の液体アルコール中のハマースグラファイト酸化物の層間距離は温度低下とともに徐々に増加し、メタノールとエタノールではそれぞれ140 Kで19.4 Åと20.6 Åに達する。冷却時のハマースグラファイト酸化物格子の徐々に拡大は、少なくとも2つの追加の溶媒単分子層の挿入に対応する。^[31]

酸化グラファイトは、中程度の高温（約280～300℃）で急速に加熱されると剥離・分解し、活性炭に似た微細に分散した非晶質炭素を形成します。^[28]

XRD、FTIR、ラマン、XPS、AFM、TEM、SEM / EDX、熱重量分析^{[11] [32] [ 33] [25] [34]}などは、GOサンプルの特性評価に使用される一般的な技術です。^[35]グラファイト/グラフェン酸化物の実験結果は、計算によって詳細に分析されています。^{[36] [37]} GOシート上の酸素官能基の分布は多分散であるため、分留法を使用して、酸化に基づいてGOシートを特性評価および分離できます。^[11]異なる合成方法により、異なるタイプのグラフェン酸化物が生成されます。同様の酸化方法による異なるバッチであっても、精製または急冷プロセスの変動により、特性が異なる場合があります。^[11]

酸化グラフェンの表面を改質してその特性を変えることも可能である。^{[33] [38]}酸化グラフェンは独特の表面特性を有し、様々な乳化系を安定化させる非常に優れた界面活性剤材料となっている。^{[33] [11]}界面によって分離された2つの相の表面エネルギーの差により、酸化グラフェンは乳化系の界面に留まる。^{[39] [33]}

グラファイト酸化物は湿度に比例して水分を吸収し、液体の水の中で膨張します。グラファイト酸化物が吸収する水分の量は特定の合成方法に依存し、強い温度依存性を示します。

ブロディグラファイト酸化物は、特定のメタノール濃度範囲内で水/メタノール混合物からメタノールを選択的に吸収する。^[41]

グラファイト酸化物から作られた膜（最近では「グラフェン酸化物」膜と呼ばれることが多い）は真空密閉性があり、窒素と酸素を通さないが、水蒸気は通す。膜は「低分子量の物質」も通さない。グラファイトおよびグラフェン酸化物膜は、グラファイト酸化物構造の膨張により極性溶媒を透過することができる。^[42]膨張した状態の膜は、ヘリウムなどのガスも透過する。グラフェン酸化物シートは液体水中で化学的に反応し、小さな負電荷を帯びる。^[40]

乾燥したグラファイト酸化物の層間距離は約6～7Åと報告されているが、液体の水中では室温で11～13Åまで増加する。格子膨張は低温で強くなる。希釈されたNaOH中の層間距離は無限大に達し、溶液中でグラファイト酸化物が単層のグラフェン酸化物シートに分散する。グラファイト酸化物は、KCl、HCl、CaCl ₂、MgCl ₂、BaCl ₂溶液などの材料の陽イオン交換膜として使用できる。膜は、グラフェン酸化物層の間に浸透できるため、大きなアルカリイオンを透過する。^[42]

非線形光学材料は、超高速フォトニクスやオプトエレクトロニクスにとって非常に重要です。最近、グラフェン酸化物（GO）の巨大な光学非線形性が多くの用途に有用であることが証明されています。^[43]たとえば、GOの光制限は、レーザー誘起損傷から敏感な機器を保護するために不可欠です。また、飽和吸収は、パルス圧縮、モードロック、Qスイッチングに使用できます。また、非線形屈折（カー効果）は、全光スイッチング、信号再生、高速光通信などのアプリケーションにとって重要です。

GOの最も興味深くユニークな特性の一つは、化学的または物理的還元法によって酸素含有基の含有量を操作することで、電気的および光学的特性を動的に調整できることである。レーザー誘起還元プロセス中にレーザー照射量を継続的に増加させることで、光学的非線形性の調整が実証されており、4段階の異なる非線形活性が発見されており、これは新しい非線形機能デバイスのための有望な固体材料として機能する可能性がある。^[44]また、金属ナノ粒子は酸化グラフェンの光学非線形性^[45]と蛍光^[46]を大幅に向上させることができる。

グラファイト酸化物は、並外れた電子特性を持つ材料であるグラフェンの大規模生産と操作の可能性のある方法として大きな関心を集めています。グラファイト酸化物自体は絶縁体であり、 ^[47]ほぼ半導体であり、 10 Vのバイアス電圧で1〜5×10 ⁻³ S/cmの微分伝導率^{[11]を示します。 [47]}しかし、親水性であるため、グラファイト酸化物は水中で容易に分散し、ほとんどが1層の厚さのマクロ的な薄片に分解されます。これらの薄片を化学的に還元すると、グラフェン薄片の懸濁液が得られます。グラフェンの最初の実験的観察は、1962年にハンス-ペーター・ベームによって報告されたと主張されています。 ^[48]この初期の研究で、単層の還元グラフェン酸化物薄片の存在が実証されました。ベームの貢献は、グラフェン研究のノーベル賞受賞者であるアンドレ・ガイムによって最近認められました。 ^[49]

部分的な還元は、懸濁した酸化グラフェンをヒドラジン水和物で 100 °C で 24 時間処理するか^[24] 、 酸化グラフェンを水素プラズマに数秒間さらすか^{[47] 、}キセノンフラッシュなどの強い光パルスにさらすことによって達成できます。^[50]酸化プロトコルのため、酸化グラフェンにすでに存在するさまざまな欠陥が還元の有効性を妨げます。したがって、還元後に得られるグラフェンの品質は、前駆体 (酸化グラフェン) の品質と還元剤の効率によって制限されます。^[51]ただし、この方法で得られたグラフェンの導電率は 10 S/cm 未満であり^[50]、電荷移動度は 0.1 ～ 10 cm ² /Vsです。 ^{[47] [52] [53]}これらの値は酸化物よりもはるかに大きいですが、純粋なグラフェンの値よりはまだ数桁低いです。^[47]最近、グラファイト酸化物の合成プロトコルが最適化され、炭素骨格が保存されたほぼ完全なグラフェン酸化物が得られた。このほぼ完全なグラフェン酸化物の還元ははるかに良好に機能し、最高品質のフレークでは電荷キャリアの移動度値が1000 cm ^{2 /Vsを超える。 [54]}原子間力顕微鏡による検査では、酸素結合が炭素層を歪ませ、還元後も残る顕著な酸化物層の固有の粗さを作り出していることがわかる。これらの欠陥はグラフェン酸化物のラマンスペクトルにも現れる。^[47]

大量のグラフェンシートは熱処理によっても製造できる。例えば、2006年には、1050℃まで急速加熱（>2000℃/分）することで、グラファイト酸化物の剥離と還元を同時に行う方法が発見された。この温度では、酸素官能基が除去されて二酸化炭素が放出され、シートが爆発的に分離する。^[55]還元温度は最終製品の酸素含有量に重要であり、還元温度が高いほど還元度が高くなります。^{[56] [57]}

グラファイト酸化物のフィルムをLightScribe DVDのレーザーにさらすことで、低コストで高品質のグラフェンを生産できることも明らかになった。^[58]

酸化グラフェンは、人工大腸菌の3Dプリントパターンを使用して、その場でグラフェンに還元されることもある。[ 59 ]酸化^{グラフェン}をペプチド、タンパク質、酵素などの生体分子と結合させることで、その生物医学的応用が強化される。^[60]現在、研究者は非毒性物質を使用して酸化グラフェンを還元することに焦点を当てており、お茶やコーヒーの粉末、レモン抽出物、さまざまな植物ベースの抗酸化剤が広く使用されている。^[61]

グラファイト酸化物は、1960年代から逆浸透法を用いた水の淡水化に研究されてきました。 ^[62] 2011年には追加の研究が発表されました。^[63]

2013年、ロッキード・マーティンはPerforeneグラフェンフィルターを発表しました。ロッキードは、このフィルターは逆浸透淡水化のエネルギーコストを99%削減すると主張しています。ロッキードは、このフィルターは当時市場にあった最高のフィルターの500倍薄く、1000倍の強度があり、必要な圧力は1%であると主張しました。^[64]この製品は2020年まで発売されないと予想されていました。^[65]

別の研究では、グラファイト酸化物は水を通すが、一部の大きなイオンは通さないように設計できることが示されています。^{[64]細い毛細管は、単層または二重層の水の急速な浸透を可能にします。多層ラミネートは}真珠層に似た構造を持ち、水のない状態で機械的強度を提供します。ヘリウムは湿度のない状態では膜を通過できませんが、湿気にさらされると簡単に浸透しますが、水蒸気は抵抗なく通過します。乾燥ラミネートは真空密閉ですが、水に浸すと分子ふるいとして機能し、一部の溶質をブロックします。^[66]

3番目のプロジェクトでは、サブナノスケール（0.40 ± 0.24 nm）の細孔を持つグラフェンシートを製造した。グラフェンは、炭素結合を破壊するガリウムイオンで衝撃を受けた。その結果を酸化溶液でエッチングすると、ガリウムイオンが当たった各スポットに穴が開く。酸化溶液に費やされた時間の長さによって、平均細孔サイズが決定された。構造的完全性を維持しながら、細孔密度は平方センチメートルあたり5兆の細孔に達した。細孔は、短い酸化期間後に陽イオン輸送を可能にし、これは細孔端の負に帯電した官能基からの静電反発と一致している。より長い酸化期間の後、シートは塩を透過したが、より大きな有機分子は透過しなかった。^[67]

2015年、ある研究チームが酸化グラフェン茶を作製し、1日かけて水溶液中の重金属の95%を除去した。^[68] NiFe ₂ O ₄の小さな強磁性ナノ粒子と窒素原子で機能化された部分的に還元された酸化グラフェンからなる複合体は、水からCr(III)イオンを除去するのに成功した。このナノ複合体の利点は、磁気的に水から分離できることである。^[69] あるプロジェクトでは、炭素原子をハニカム構造に重ね、幅と長さが約0.1ミリメートルで、サブナノメートルの穴がある六角形の結晶を形成した。その後の研究では、膜のサイズが数ミリメートルのオーダーにまで拡大された。^[70]

ポリカーボネート支持構造に取り付けられたグラフェンは、当初は塩の除去に効果的であった。しかし、グラフェンに欠陥が生じた。大きな欠陥をナイロンで埋め、小さな欠陥をハフニウム金属で埋め、さらに酸化物層を積層することで、ろ過効果が回復した。^[70]

2016年、エンジニアたちは太陽光で汚れた水や塩水をろ過できるグラフェンベースのフィルムを開発した。バクテリアを使って2層のナノセルロースからなる材料を作った。下層には純粋なセルロースが含まれ、上層にはセルロースとグラフェン酸化物が含まれており、太陽光を吸収して熱を生成する。このシステムは下から材料に水を引き込む。水は上層に拡散し、そこで蒸発して汚染物質を残す。蒸発物は上部で凝縮し、そこで捕らえられる。このフィルムは、硬化する液体コーティングを繰り返し追加することで作られる。バクテリアはグラフェン酸化物の薄片が点在するナノセルロース繊維を生成する。このフィルムは軽く、大規模に製造しやすい。^[71]

グラフェン酸化物から作られた光学的に透明な多層フィルムは、乾燥状態では不浸透性である。水（または水蒸気）にさらされると、一定サイズ以下の分子は通過できる。フィルムはランダムに積み重ねられた何百万もの薄片で構成され、その間にナノサイズの毛細管が残る。ヨウ化水素酸による化学還元でこれらのナノ毛細管を閉じると、「還元グラフェン酸化物」（r-GO）フィルムが生成され、厚さ100ナノメートルを超えるガス、液体、または強力な化学物質に対して完全に不浸透性となる。このようなグラフェン「塗料」で覆われたガラス製品または銅板は、腐食性酸の容器として使用できる。グラフェンでコーティングされたプラスチックフィルムは、医療用包装に使用して保存期間を延ばすことができる。^{[72] [より良い情報源が必要]}アミン修飾グラフェン酸化物とナフィオンに基づく層ごとのコーティングは、200℃で2時間加熱しても損なわれない優れた抗菌性能を示す。^[73]

分散した酸化グラフェン薄片は、（製紙の場合と同様に）分散液からふるいにかけられ、圧縮されて非常に強力な酸化グラフェン紙を作ることもできる。^[16]

酸化グラフェンはDNA分析の用途に使用されている。酸化グラフェンの大きな平面表面は、異なる染料で標識された複数のDNAプローブを同時に消光することを可能にし、同じ溶液中の複数のDNAターゲットを検出できる。酸化グラフェンベースのDNAセンサーのさらなる進歩は、非常に安価で迅速なDNA分析をもたらす可能性がある。^[74]最近、ラクイラ大学（イタリア）の研究者グループは、超高真空中で900℃まで加熱還元された酸化グラフェンの新しい濡れ特性を発見した。彼らは、表面の化学組成、表面自由エネルギー、およびその極性および分散成分の間に相関関係を発見し、酸化グラフェンと還元酸化グラフェンの濡れ特性の理論的根拠を示した。^{[75] [76]}

^{グラフェン酸化物は、室温のリチウムイオン[77]}およびナトリウムイオン電池用の柔軟な自立型電池アノード材料として実証されています。 ^{[78] [79]}また、リチウム硫黄電池カソードの高表面積導電剤としても研究されています。^[80]グラフェン酸化物の官能基は、活性種の化学修飾および固定化の場として機能します。 このアプローチにより、電極材料のハイブリッドアーキテクチャを作成できます。 この最近の例は、容量制限が低いことを犠牲にして再充電可能であることで知られるリチウムイオン電池に実装されています。 金属酸化物と硫化物で機能化されたグラフェン酸化物ベースの複合材料は、最近の研究でバッテリー性能の向上を引き起こすことが示されています。 同様に、グラフェン酸化物の電子特性により、一般的な遷移金属酸化物電極のより一般的な制限の一部を回避できるため、スーパーキャパシタへの応用にも適応されています。 この分野の研究は発展しており、容量を向上させるために窒素ドーピングと pH 調整を含む方法がさらに調査されています。^[81]さらに、純粋なグラフェンに似た優れた電子特性を示す還元酸化グラフェンシートの研究が現在行われている。還元酸化グラフェンは導電性と効率性を大幅に向上させるが、柔軟性と構造的完全性をある程度犠牲にする。^{[82] [83] [84]}

光学レンズは、約 3000 年前に発明されて以来、科学技術のほぼすべての分野で重要な役割を果たしてきました。マイクロおよびナノ加工技術の進歩により、通信、センサー、データ ストレージ、その他の幅広い技術主導型および消費者主導型の産業など、さまざまなアプリケーションで、従来の光学レンズの継続的な小型化が常に求められてきました。具体的には、可視光線および近赤外線アプリケーション向けの極小構造の波長サブ光学またはナノ光学では、マイクロレンズのさらなる小型化と薄型化が強く求められています。また、光通信の距離スケールが縮小するにつれて、マイクロレンズに求められる機能サイズも急速に縮小しています。

最近、新たに発見された酸化グラフェンの優れた特性は、現在の平面集束デバイスの課題を克服するための新しいソリューションを提供します。具体的には、直接レーザー書き込み（DLW）法を使用して酸素含有量を動的に操作することにより、酸化グラフェン（GO）と還元酸化グラフェン（rGO）間の屈折率の巨大な変更（最大10^-1）（現在の材料より1桁大きい）が実証されました。その結果、レンズ全体の厚さを10倍以上減らすことができます。また、GOの還元が深くなるにつれてGOの線形光吸収が増加することが判明しており、その結果、GOとrGOの間に透過コントラストが生じ、振幅変調メカニズムが提供されます。さらに、屈折率と光吸収の両方が、可視から近赤外までの広い波長範囲にわたって無分散であることがわかりました。最後に、GOフィルムは、マスクレスDLW法を使用して柔軟なパターン形成機能を提供し、製造の複雑さと要件を軽減します。

その結果、GO 薄膜上に DLW 法を用いて新しい超薄平面レンズが最近実現されました。^[85] GO 平面レンズの明確な利点は、位相変調と振幅変調を同時に達成できることです。これは、それぞれ GO の縮小プロセス中の巨大な屈折率変調と可変線形光吸収に起因します。波面成形能力の向上により、レンズの厚さはサブ波長スケール (約 200 nm) まで押し下げられ、これは現在のすべての誘電体レンズ(約 μm スケール) よりも薄くなります。集光強度と焦点距離は、それぞれレーザー出力とレンズサイズを変えることで効果的に制御できます。DLW プロセス中に油浸高開口数(NA) 対物レンズを使用することで、GO フィルム上に 300 nm の製造フィーチャ サイズが実現され、最小レンズ サイズは直径 4.6 μm まで縮小されました。これは最小の平面マイクロ レンズであり、FIB によるメタサーフェスでのみ実現できます。その後、焦点距離を 0.8 μm まで短縮することができ、これにより、開口数 (NA) と焦点解像度が向上する可能性があります。

650 nmの入力ビームを使用した最小焦点スポットでの半値全幅（FWHM）320 nmが実験的に実証されており、これは有効NA 1.24（n = 1.5）に相当し、現在のマイクロレンズの最大NAです。さらに、同じ平面レンズで500 nmから2μmまでの超広帯域フォーカス機能が実現されていますが、適切な材料と製造技術の可用性が限られているため、赤外線領域でのフォーカスは依然として大きな課題です。最も重要なことは、合成された高品質のGO薄膜は、さまざまな基板上に柔軟に統合でき、ワンステップDLW法を使用して比較的低コストで電力（約nJ /パルス）で大面積に簡単に製造できるため、最終的にはGOフラットレンズがさまざまな実用的なアプリケーションに有望になることです。

光触媒水分解は、人工光または自然光を使用して水を水素 (H2) と酸素 (O2) に分解する人工光合成プロセスです。光触媒水分解などの方法は現在、クリーンなエネルギー源として水素を生成するために研究されています。グラフェン酸化物シートの優れた電子移動度と高い表面積は、このプロセスの要件を満たす触媒として実装できる可能性を示唆しています。具体的には、グラフェン酸化物のエポキシド (-O-) と水酸化物 (-OH) の組成官能基により、水分解プロセスでより柔軟な制御が可能になります。この柔軟性を使用して、光触媒水分解でターゲットとするバンドギャップとバンド位置を調整できます。最近の研究実験では、必要な制限内のバンドギャップを含むグラフェン酸化物の光触媒活性は、特に 2:1 の水酸化物:エポキシド比で 40～50% の被覆率で使用した場合に、効果的な分解結果を生み出すことが実証されています。グラフェン酸化物ナノ複合体は、 CdS （光触媒水分解に使用される一般的な触媒）との複合材料に使用すると、水素生成と量子効率 が向上することが示されています。

酸化グラフェンは、水素貯蔵への応用も検討されています。シート全体に存在する酸素ベースの官能基の間に水素分子を貯蔵できます。この水素貯蔵能力は、シート間の層間距離を調整したり、細孔サイズを変更したりすることでさらに操作できます。炭素吸着剤に遷移金属を装飾して水素結合エネルギーを高める研究により、チタンとマグネシウムをヒドロキシル基に固定して複数の水素分子を結合させる実験が行われました。

酸化グラフェンは、組織工学、癌治療、医療用画像、薬物送達など、さまざまなナノ医療用途での有望な用途が研究されてきました。^{[86]その生理化学的特性により、}幹細胞の挙動を制御する構造が可能になり、筋肉組織の修復と再生を可能にするDNA、成長因子、合成タンパク質の細胞内送達を支援する可能性があります。^[87]生物学的環境におけるそのユニークな挙動により、GOは癌の早期診断における新しい材料としても提案されています。^[88]

また、ワクチンや免疫療法への応用も検討されており、バイオメディカル材料の二重使用アジュバントやキャリアとしての用途も検討されている。^{[89] [90] 2020年9月、中国の上海国家ナノテクノロジー工学研究センターの研究者らは}、SARS-CoV-2に対する開発中の組み換えワクチンに酸化グラフェンを使用する特許を申請した。^[91]

グラフェン（酸化物）ナノマテリアルの毒性の根底にあるいくつかの典型的なメカニズムが明らかにされており、例えば、物理的破壊、酸化ストレス、DNA損傷、炎症反応、アポトーシス、オートファジー、壊死などです。これらのメカニズムでは、Toll様受容体（TLR）、形質転換成長因子ベータ（TGF-β）、腫瘍壊死因子アルファ（TNF-α）依存性経路がシグナル伝達経路ネットワークに関与しており、酸化ストレスがこれらの経路で重要な役割を果たしています。多くの実験により、グラフェン（酸化物）ナノマテリアルは多くの生物学的用途で有毒な副作用があることが示されていますが、毒性メカニズムのより詳細な研究が必要です。^[92]米国FDAによると、グラフェン、グラフェン酸化物、還元グラフェン酸化物は、in vitroとin vivoの両方で毒性効果を引き起こします。^[93]グラフェンファミリーナノマテリアル（GFN）は、米国FDAによって人間の消費用に承認されていません。

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