氧化石墨烯(GO)是一類重要的石墨烯材料，具有多種不同于石墨烯的獨特性質(zhì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的二維材料，在熱管理、復(fù)合材料等領(lǐng)域已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，在物質(zhì)分離、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前，GO的批量制備主要采用化學(xué)氧化方法(如Hummers法)，即通過石墨與濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等強氧化劑的反應(yīng)來實現(xiàn)GO制備。該反應(yīng)迄今已有150多年的歷史，由于大量強氧化劑的使用，在制備過程中存在爆炸風(fēng)險、嚴(yán)重的環(huán)境污染、成本高等問題，已成為制約GO產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。 
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部任文才團(tuán)隊于2018年提出了電解水氧化制備GO的全新方法，通過采用硫酸插層的石墨作為原料控制電解水產(chǎn)氧反應(yīng)，利用電解水產(chǎn)生的高活性氧自由基實現(xiàn)石墨的氧化(Nature Communications 9, 145, 2018)。與化學(xué)氧化法相比，該方法不僅安全、綠色，而且氧化速率提高100倍以上，已成為制備GO的主要方法之一。然而，該方法存在產(chǎn)物氧化程度不均勻、GO產(chǎn)率和單層率較低的問題，并且這些問題在產(chǎn)業(yè)化中變得更加嚴(yán)重，特別是在濕度大的環(huán)境中生產(chǎn)GO時，但其原因并不清楚。
針對上述問題，任文才團(tuán)隊深入研究了電解水制備GO的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)環(huán)境和電解液中水的吸附導(dǎo)致插層石墨原料的脫插層是非均勻氧化的根源，而電解水氧化與水吸附脫插層均受到水從電解液向插層石墨擴(kuò)散過程的控制，兩者的競爭決定了插層石墨能否得到均勻氧化。基于該理解，他們發(fā)明了微液膜電解(LME)方法精確控制水的擴(kuò)散，有效實現(xiàn)了電解水氧化與水吸附脫插層的動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)了均一單層GO的工業(yè)化連續(xù)制備。GO的單層率≥99%，產(chǎn)率可達(dá)~180 wt.%，而成本僅為Hummers方法的1/7。并且，利用LME方法可以實現(xiàn)對GO氧化程度和尺寸的有效控制以及利用純水電解制備GO。
該工作不僅為電化學(xué)制備GO提供了新的認(rèn)識，而且提供了一種低成本、高產(chǎn)率、可持續(xù)制備均一單層GO的方法，為GO的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1月16日，該研究成果以“Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide”為題在《Nature Communications》上在線發(fā)表。
金屬所2023級博士研究生郭佳琪與裴嵩峰研究員為論文的共同第一作者，任文才研究員和裴嵩峰研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、興遼英才計劃“杰出人才”項目等的資助。
圖1. 水吸附導(dǎo)致硫酸插層石墨的脫插層及其對電解水制備GO的影響
圖2. 電解水制備GO過程中水?dāng)U散行為的原位研究
圖3. 微液膜電解(LME)方法及其制備的GO
圖4. 利用LME方法對GO的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行控制
圖5. LME方法的放大及工業(yè)化生產(chǎn)GO
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