还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide, rGO）是通过化学或物理方法从氧化石墨烯（GO）中去除大部分含氧官能团后得到的产物。其性质介于原始石墨烯和氧化石墨烯之间。

• 恢复的sp²共轭结构与导电性: 这是rGO最核心、最重要的特性。还原过程修复了GO中被破坏的sp²共轭网络，使其从绝缘体转变为导体。其导电性（或薄层电阻）是评价还原程度的最关键指标。尽管其导电性通常低于CVD生长的原始石墨烯，但已足以满足大多数应用（如导电油墨、超级电容器）的需求。
• 残留的缺陷与官能团: 还原过程通常是不完全的，因此rGO的片层上仍然会残留一定数量的含氧官能团（如-OH, -COOH）和结构缺陷（如空位、五/七元环）。这些残留的官能团和缺陷，一方面使其导电性、热导率和机械强度低于原始石墨烯，另一方面也为其提供了额外的化学反应活性位点。
• 溶液可加工性: 尽管还原后其亲水性下降，但通过选择合适的还原方法和稳定剂，rGO仍然可以在水或有机溶剂中形成相对稳定的分散液。这一特性使其成为一种可溶液加工的、低成本的石墨烯替代品，是其能够被广泛应用的关键。

对于rGO，通过在还原过程中或还原后引入杂原子（Heteroatoms），是进一步调控其电学和催化性能的核心手段。

目标: 将非碳元素（如N, S, P, B）共价地掺入rGO的石墨烯晶格中。

• 氮（N）掺杂: 这是最常用、最有效的掺杂方式。
  • 合成方法: 通常将氧化石墨烯（GO）与含氮的前驱体（如尿素、三聚氰胺、氨气）混合，然后进行一步高温热处理。在高温下，GO被还原，同时氮原子也被共价地掺杂进石墨烯晶格中。
  • n型半导体行为: 石墨N的引入可以为sp²碳晶格提供额外的电子，使其表现出n型半导体特性，这对于构建p-n结等电子器件至关重要。
  • 催化活性: N的引入可以改变其相邻碳原子的电荷分布，使其成为高效的氧还原反应（ORR）等电催化反应的活性位点。
• 硫（S）、磷（P）、硼（B）掺杂: 掺杂S, P, B等其它杂原子，同样可以有效地调控rGO的电子能带结构，从而改变其电学和催化特性。

还原氧化石墨烯（rGO）作为一种导电性好、比表面积巨大、化学性质稳定的碳材料，在催化领域是一种性能卓越、应用广泛的催化剂载体和无金属催化剂。

将金属或金属氧化物纳米颗粒负载于rGO表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 超高的比表面积: rGO的单层结构使其具有极高的理论比表面积，为催化活性组分（如Pt, Pd, RuO₂, Co₃O₄等）的高度分散提供了完美的平台。
• 优异的导电性与稳定性: rGO优异的导电性，非常适合作为电催化剂的载体。其石墨烯结构使其具有比活性炭等传统碳载体高得多的抗电化学腐蚀能力，从而极大地提高了催化剂在燃料电池、电解水等苛刻环境中的使用寿命。
• 优异的锚定效应: rGO表面残留的缺陷和官能团可以作为强力的“锚定位点”，通过配位或共价键，牢固地固定金属纳米颗粒，防止其在反应过程中发生迁移和脱落。

通过杂原子掺杂，可以赋予rGO本身优异的催化活性。

• 电催化氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的还原氧化石墨烯（N-rGO），是目前性能最优异的无金属ORR电催化剂之一，有望在燃料电池和金属-空气电池中替代昂贵的铂催化剂。

还原氧化石墨烯（rGO）由于其荧光通常被猝灭，不适用于荧光成像。然而，其优异的导电性、巨大的比表面积和独特的近红外光学吸收，使其在生物传感和成像领域具有独特的应用价值。

由rGO修饰的电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 原理: rGO修饰的电极具有巨大的电化学活性表面积和优异的电子传输能力，可以固定大量的生物识别分子（如酶、抗体），并快速传递生物识别事件产生的电子信号，从而显著放大信号，提高传感器的灵敏度。

rGO在近红外（NIR）光区具有宽谱的、强烈的吸收。

• 原理: 当脉冲激光照射时，富集在组织深处的rGO吸收光能并瞬时产热，引起周围组织的热弹性膨胀并产生可被检测的超声波信号。
• 优势: 光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透深度。rGO作为一种低成本、高光热转换效率、高稳定性的造影剂，在深层组织成像中具有巨大潜力。

还原氧化石墨烯（rGO）因其巨大的比表面积和独特的近红外光学特性，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

rGO的二维平面结构使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: rGO的两个表面都可用于负载药物，其理论载药量远高于其它所有纳米载体。它特别适合于通过π-π堆积作用，高效负载具有芳香环结构的化疗药物（如阿霉素DOX）。

rGO在近红外（NIR）光区具有强烈的吸收，是性能最优异的非金属光热治疗剂之一。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的rGO吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，rGO具有成本低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

还原氧化石墨烯（rGO）的生物安全性是一个极其复杂且至今仍存在争议的课题，其毒性高度依赖于其横向尺寸、表面化学、纯度和剂量。

• 物理损伤: 大尺寸、边缘锋利的rGO片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。
• 氧化应激: 这是rGO最主要的细胞毒性机制。进入细胞后，rGO可以诱导产生大量的活性氧（ROS），引发剧烈的氧化应激。通常认为，rGO的细胞毒性低于GO，因为其表面的含氧官能团较少。

• 生物持久性: rGO的sp²骨架极其稳定，在生理条件下被认为不可生物降解或降解极其缓慢。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。

还原氧化石墨烯（rGO）的合成是典型的两步法，其核心是先制备前驱体氧化石墨烯（GO），然后再对其进行还原。

通过Hummers法及其改进方法，将天然石墨粉强氧化，然后超声剥离，得到单层分散的GO水溶液。（详见氧化石墨烯文档）

这是获得rGO的关键步骤，旨在去除GO表面的含氧官能团，恢复其sp²共轭结构和导电性。

• 化学还原法: 这是最常用、最温和的方法。将GO分散液与一种化学还原剂混合并反应。
  • 强还原剂: 水合肼（N₂H₄·H₂O）和硼氢化钠（NaBH₄）是还原能力最强的试剂，可以获得导电性最好的rGO，但它们本身具有毒性。
  • “绿色”还原剂: L-抗坏血酸（维生素C）、葡萄糖、绿茶提取物等天然产物也可以作为温和的还原剂，用于制备生物相容性更好的rGO。
• 热还原法: 在高温（通常>800 °C）、惰性或还原性气氛中对GO进行热退火。这种方法可以获得导电性极高、缺陷较少的rGO，但通常会导致片层发生聚集。
• 光还原法: 使用高强度的光（如激光、氙灯、甚至太阳光）照射GO溶液或薄膜，利用光化学或光热效应实现局部、快速的还原。

对还原氧化石墨烯（rGO）的精确表征是评估其还原程度和恢复的物理化学性质的关键。

• X射线光电子能谱 (XPS): 这是表征rGO化学结构的最核心、最关键的技术。通过分析C 1s的高分辨谱，可以定量地计算其表面sp²碳（C=C/C-C）与含氧官能团（C-O, C=O）的相对含量。通过对比还原前后C/O原子比的显著增加，可以定量地评估还原程度。
• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征rGO结构恢复情况的关键技术。还原后，代表缺陷的D峰强度通常会增加（因为还原过程会引入新的sp²小畴区），而G峰的位置会发生蓝移。
• X射线衍射 (XRD): 还原后，GO在2θ ≈ 10°处的衍射峰会消失，而在2θ ≈ 26°附近重新出现一个宽化的、对应于石墨（002）晶面的衍射峰，证明其层状堆叠结构的恢复。

• 四探针法: 将rGO制成薄膜，使用四探针台来精确测量其薄层电阻（方块电阻），这是评价其作为导电膜性能的最核心参数。

还原氧化石墨烯的表面工程，其核心是利用其残留的官能团进行功能化，或在还原前对GO前驱体进行功能化。

尽管大部分含氧官能团在还原过程中被去除，但rGO表面仍然残留有一定数量的-COOH和-OH基团。

• 共价功能化: 这些残留的官能团仍然可以作为“化学手柄”，用于后续的EDC/NHS等偶联反应，连接药物、抗体、聚合物等各种功能分子。

这是一种更通用、更强大的表面工程策略。

• 原理:
  1. 首先，利用氧化石墨烯（GO）表面丰富的含氧官能团，通过共价或非共价的方式，将其与目标功能分子（如聚合物、金属纳米颗粒、生物分子）连接起来，形成GO-功能分子复合物。
  2. 然后，对该复合物进行化学或热还原。
• 优势: 这种方法可以制备出一种兼具优异导电性（由rGO提供）和特定功能性（由连接的分子提供）的多功能复合材料。例如，通过这种方法制备的rGO-Pt复合材料是性能优异的燃料电池催化剂。