氧化石墨烯是一種重要的石墨烯衍生物, 最初主要作為宏量製備石墨烯的前驅體, 近年來由於其不同於石墨烯的諸多獨特物理化學性質和廣闊應用前景而越來越受到人們的重視. 由於存在大量的含氧官能團, 氧化石墨烯在水中具有良好的分散性, 且易於組裝和功能化, 因此廣泛用於製備多功能分離膜, 高導高強纖維, 超輕超彈性氣凝膠等多種功能材料, 並且在電化學儲能, 催化, 生物醫藥, 複合材料等方面表現出良好應用前景.
目前, 氧化石墨烯主要是通過剝離氧化石墨來進行製備. 而氧化石墨的製備迄今已有150多年的曆史, 無論是最早的Brodie方法 (1859年) , 還是後來發展起來的Staudenmaier和Hummers方法, 均是基於石墨與大量濃硝酸, 濃硫酸, 高錳酸鉀等複合強氧化劑的反應來實現, 不僅存在爆炸的風險, 而且汙染嚴重, 反應周期長. 以目前最常用的Hummers方法為例, 氧化劑由濃硫酸和高錳酸鉀構成, 其與石墨的典型物料比 (質量比) 為40:3:1 (濃硫酸: 高錳酸鉀: 石墨) , 反應最終會產生超過1000質量單位的酸性廢水. 並且, 高活性的Mn2O7中間產物在高溫下可能會發生爆炸, 氧化反應的完成需要數小時到上百小時.
近日, 中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部提出了一種電解水氧化的新方法, 打破了150多年來通過強氧化劑對石墨進行氧化的傳統思路, 實現了氧化石墨烯的安全, 綠色, 超快製備. 該方法首先在濃硫酸中將石墨插層, 然後在稀硫酸中對插層石墨進行氧化. 氧同位素示蹤和自由基捕獲實驗表明, 氧化石墨烯中的氧元素主要來源於電解液中的水, 電解水產生的大量高活性氧自由基與石墨反應生成了氧化石墨烯. 反應中硫酸幾乎沒有損耗, 也不生成其它物質, 可被重複用於電化學反應. 研究還發現, 電解水氧化製備氧化石墨烯的氧化速率比現有方法快100倍以上, 而所得材料與現有方法類似, 並且易於連續化製備. 該方法有效解決了氧化石墨烯製備長期面臨的爆炸危險, 環境汙染及反應周期長的問題, 有望大幅降低製備成本, 促進氧化石墨烯的工業化應用.
相關研究成果發表在《自然-通訊》上, 相關技術已申請中國發明專利和PCT專利. 該研究得到了科技部重點研發計劃, 國家自然科學基金委傑出青年基金, 重大項目, 創新群體項目等的資助.
