【儀表網 研發快訊】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，是目前應用最為廣泛的二維材料，在熱管理、復合材料等領域已實現工業化應用，在物質分離、生物醫藥等領域也表現出良好的應用前景。目前，GO的批量制備主要采用化學氧化方法(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來實現GO制備。該反應迄今已有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險、嚴重的環境污染、成本高等問題，已成為制約GO產業發展的瓶頸。
中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部任文才團隊于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氧反應，利用電解水產生的高活性氧自由基實現石墨的氧化(Nature Communications 9, 145, 2018)。與化學氧化法相比，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，該方法存在產物氧化程度不均勻、GO產率和單層率較低的問題，并且這些問題在產業化中變得更加嚴重，特別是在濕度大的環境中生產GO時，但其原因并不清楚。
針對上述問題，任文才團隊深入研究了電解水制備GO的機制，發現環境和電解液中水的吸附導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，他們發明了微液膜電解(LME)方法精確控制水的擴散，有效實現了電解水氧化與水吸附脫插層的動態平衡，從而實現了均一單層GO的工業化連續制備。GO的單層率≥99%，產率可達~180 wt.%，而成本僅為Hummers方法的1/7。并且，利用LME方法可以實現對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制備GO提供了新的認識，而且提供了一種低成本、高產率、可持續制備均一單層GO的方法，為GO的工業化生產和應用奠定了基礎。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計劃、國家自然科學基金委基礎科學中心項目、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過程中水擴散行為的原位研究
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的結構和性質進行控制
圖5. LME方法的放大及工業化生產GO
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