Nuclear magnetic resonance (NMR) has been widely used in graphene oxide (GO) structure studies. However, the detailed relationship between its spectroscopic features and the GO structural configuration remains elusive. Based on first principles C13 chemical shift calculations using the gauge including projector augmented waves method, we provide a reliable spectrum-structure connection. The C13 chemical shift in GO is found to be very sensitive to the atomic environment, even for the same type of oxidation groups. Factors determining the chemical shifts of epoxy and hydroxy groups have been discussed. GO structures previously reported in the literature have been checked from the NMR point of view. The energetically favorable hydroxy chain structure is not expected to be widely existed in real GO samples according to our NMR simulations. The epoxy pair species we proposed previously is also supported by chemical shift calculations.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nature Mater.
6
,
183
(
2007
).
3.
M. I.
Katsnelson
,
Mater. Today
10
,
20
(
2007
).
4.
A. H.
Castro Neto
,
F.
Guinea
,
N. M. R.
Peres
,
K. S.
Novoselov
, and
A. K.
Geim
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
109
(
2009
).
5.
D. R.
Dreyer
,
S.
Park
,
C. W.
Bielawski
, and
R. S.
Ruoff
,
Chem. Soc. Rev.
39
,
228
(
2010
).
6.
S.
Stankovich
,
D. A.
Dikin
,
G. H. B.
Dommett
,
K. M.
Kohlhaas
,
E. J.
Zimney
,
E. A.
Stach
,
R. D.
Piner
,
S. T.
Nguyen
, and
R. S.
Ruoff
,
Nature (London)
442
,
282
(
2006
).
7.
S.
Gilje
,
S.
Han
,
M.
Wang
,
K. L.
Wang
, and
R. B.
Kaner
,
Nano Lett.
7
,
3394
(
2007
).
8.
S.
Park
and
R. S.
Ruoff
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
217
(
2009
).
9.
W.
Gao
,
L. B.
Alemany
,
L.
Ci
, and
P. M.
Ajayan
,
Nat. Chem.
1
,
403
(
2009
).
10.
D. A.
Dikin
,
S.
Stankovich
,
E. J.
Zimney
,
R. D.
Piner
,
G. H. B.
Dommett
,
G.
Evmenenko
,
S. T.
Nguyen
, and
R. S.
Ruoff
,
Nature (London)
448
,
457
(
2007
).
11.
X.
Wu
,
M.
Sprinkle
,
X.
Li
,
F.
Ming
,
C.
Berger
, and
W. A.
de Heer
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
026801
(
2008
).
12.
L.
Wang
,
K.
Lee
,
Y. -Y.
Sun
,
M.
Lucking
,
Z.
Chen
,
J. J.
Zhao
, and
S. B.
Zhang
,
ACS Nano
3
,
2995
(
2009
).
13.
G. M.
Scheuermann
,
L.
Rumi
,
P.
Steurer
,
W.
Bannwarth
, and
R.
Mülhaupt
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
8262
(
2009
).
14.
G.
Liu
,
X.
Zhuang
,
Y.
Chen
,
B.
Zhang
,
J.
Zhu
,
C. -X.
Zhu
,
K. -G.
Neoh
, and
E. -T.
Kang
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
253301
(
2009
).
15.
G.
Eda
,
Y. -Y.
Lin
,
C.
Mattevi
,
H.
Yamaguchi
,
H. -A.
Chen
,
I. -S.
Chen
,
C. -W.
Chen
, and
M.
Chhowalla
,
Adv. Mater. (Weinheim, Ger.)
22
,
505
(
2010
).
16.
I. V.
Lightcap
,
T. H.
Kosel
, and
P. V.
Kamat
,
Nano Lett.
10
,
577
(
2010
).
17.
S.
Wang
,
J.
Pu
,
D. S. H.
Chan
,
B. J.
Cho
, and
K. P.
Loh
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
143109
(
2010
).
18.
F.
Zhang
,
B.
Zheng
,
J.
Zhang
,
X.
Huang
,
H.
Liu
,
S.
Guo
, and
J.
Zhang
,
J. Phys. Chem. C
114
,
8469
(
2010
).
19.
M.
Mermoux
,
Y.
Chabre
, and
A.
Rousseau
,
Carbon
29
,
469
(
1991
).
20.
H.
He
,
T.
Riedl
,
A.
Lerf
, and
J.
Klinowski
,
J. Phys. Chem.
100
,
19954
(
1996
).
21.
A.
Lerf
,
H.
He
,
T.
Riedl
,
M.
Forster
, and
J.
Klinowski
,
Solid State Ionics
101–103
,
857
(
1997
).
22.
A.
Lerf
,
H.
He
,
M.
Forster
, and
J.
Klinowski
,
J. Phys. Chem. B
102
,
4477
(
1998
).
23.
T.
Szabó
,
O.
Berkesi
,
P.
Forgo
,
K.
Josepovits
,
Y.
Sanakis
,
D.
Petridis
, and
I.
Dekany
,
Chem. Mater.
18
,
2740
(
2006
).
24.
W.
Cai
,
R. D.
Piner
,
F. J.
Stadermann
,
S.
Park
,
M. A.
Shaibat
,
Y.
Ishii
,
D.
Yang
,
A.
Velamakanni
,
S. J.
An
,
M.
Stoller
,
J.
An
,
D.
Chen
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
321
,
1815
(
2008
).
25.
L. B.
Casabianca
,
M. A.
Shaibat
,
W. W.
Cai
,
S.
Park
,
R.
Piner
,
R. S.
Ruoff
, and
Y.
Ishii
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
5672
(
2010
).
26.
D. W.
Lee
,
L.
De Los Santos
,
J. W.
Seo
,
L. L.
Felix
,
A. D.
Bustamante
,
J. M.
Cole
, and
C. H. W.
Barnes
,
J. Phys. Chem. B
114
,
5723
(
2010
).
27.
J. T.
Paci
,
T.
Belytschko
, and
G. C.
Schatz
,
J. Phys. Chem. C
111
,
18099
(
2007
).
28.
D. W.
Boukhvalov
and
M. I.
Katsnelson
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
10697
(
2008
).
29.
R. J. W. E.
Lahaye
,
H. K.
Jeong
,
C. Y.
Park
, and
Y. H.
Lee
,
Phys. Rev. B
79
,
125435
(
2009
).
30.
Z.
Li
,
W.
Zhang
,
Y.
Luo
,
J.
Yang
, and
J. G.
Hou
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
6320
(
2009
).
31.
J. A.
Yan
,
L.
Xian
, and
M. Y.
Chou
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
086802
(
2009
).
32.
W.
Zhang
,
V.
Carravetta
,
Z.
Li
,
Y.
Luo
, and
J.
Yang
,
J. Chem. Phys.
131
,
244505
(
2009
).
33.
X.
Gao
,
L.
Wang
,
Y.
Ohtsuka
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhao
,
S.
Nagase
, and
Z.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
9663
(
2009
).
34.
K. N.
Kudin
,
B.
Ozbas
,
H. C.
Schniepp
,
R. K.
Prud’homme
,
I. A.
Aksay
, and
R.
Car
,
Nano Lett.
8
,
36
(
2008
).
35.
M. A. L.
Marques
,
M.
d’Avezac
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
73
,
125433
(
2006
).
36.
E.
Zurek
,
C. J.
Pickard
,
B.
Walczak
, and
J.
Autschbach
,
J. Phys. Chem. A
110
,
11995
(
2006
).
37.
L.
Lai
,
J.
Lu
,
W.
Song
,
M.
Ni
,
L.
Wang
,
G.
Luo
,
J.
Zhou
,
W. N.
Mei
,
Z.
Gao
, and
D.
Yu
,
J. Phys. Chem. C
112
,
16417
(
2008
).
38.
E.
Zurek
,
C. J.
Pickard
, and
J.
Autschbach
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
4430
(
2007
).
39.
E.
Zurek
,
C. J.
Pickard
, and
J.
Autschbach
,
J. Phys. Chem. C
112
,
11744
(
2008
).
40.
E.
Zurek
,
C. J.
Pickard
, and
J.
Autschbach
,
J. Phys. Chem. A
113
,
4117
(
2009
).
41.
M. D.
Segall
,
P. J. D.
Lindan
,
M. J.
Probert
,
C. J.
Pickard
,
P. J.
Hasnip
,
S. J.
Clark
, and
M. C.
Payne
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
2717
(
2002
).
42.
S. J.
Clark
,
M. D.
Segall
,
C. J.
Pickard
,
P. J.
Hasnip
,
M. J.
Probert
,
K.
Refson
, and
M. C.
Payne
,
Z. Kristallogr.
220
,
567
(
2005
).
43.
C. J.
Pickard
and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
63
,
245101
(
2001
).
44.
J. R.
Yates
,
C. J.
Pickard
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
76
,
024401
(
2007
).
45.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
46.
Y.
Zhang
and
W.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
890
(
1998
).
47.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3455715 for optimized geometries and detailed chemical shift values.
48.
Y. W.
Son
,
M. L.
Cohen
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
216803
(
2006
).
49.
N.
Lu
,
Z.
Li
, and
J.
Yang
,
J. Phys. Chem. C
113
,
16741
(
2009
).
50.
S.
Ikäläinen
,
P.
Lantto
,
P.
Manninenc
, and
J.
Vaara
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
11404
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.