基于分子吸附保护和充分氧化的电化学剥离法制备水溶性石墨烯
石墨烯材料由于其极佳的物理化学性能 (室温下载流子迁移率高达15000 cm 2/V•s, 高热导率: 5000 W/m•K, 杨氏模量: 350 N/m等) , 被广泛应用于锂离子电池, 传感, 储能材料以及生物医药等诸多领域. 因此, 石墨烯材料的低成本规模化的制备与有效分散是实现这些应用的前提, 也成为科学研究的重要课题. 目前, 使用廉价的石墨作为原料, 通过石墨层间插层和剥离可批量化制备石墨烯材料, 仍存在产率低, 制备体系不环保, 安全性差等问题. 同时, 产物石墨烯由于片层间范德华力的作用, 易发生片层回叠与聚沉, 另外表面能不匹配, 导致石墨烯难以分散在水溶液或其他低沸点有机溶剂中, 极大影响了石墨烯材料的实际应用. 因此, 开发绿色, 高效, 低成本的新方法, 使石墨烯更好地分散在水溶液或其他低沸点有机溶液中, 是石墨烯材料领域的重要研究课题.
近日, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯粉体材料研究团队丁古巧, 何朋等科研人员, 在水溶性石墨烯材料制备方面取得进展: 基于创新的电化学技术和超声辅助分散机制, 在NaOH与PTA混合电解液体系中实现了少层高浓度水溶性石墨烯的制备, 相关研究成果在线发表在Green Chemistry上. 在这一体系中, 研究人员通过控制电化学过程, 使PTA析出并吸附于石墨电极, 促进石墨充分氧化和逐层剥离, 随后辅以超声处理进一步提高产率, 实现了高产率 (87.3%) , 高固含量 (8.2 g/L) 以及高稳定性 (8个月以上) 的少层微米尺寸水溶性石墨烯的制备, 相对于已有研究报道具有明显优势. 同时, 由于电化学阳极分子吸附保护机制, 实现了产物片层sp2结构的保留, 制备成膜后, 经较低温度热还原便可获得较高的电导率 (9517 S/m) , 应用潜力巨大. 进一步的机理研究明确了不同于以往插层, 氧化, 膨胀, 剥离的电化学机制, 逐层剥离和深入氧化的电化学新机制克服了传统电化学方法剥离不完全导致的产物层数多, 质量低, 分散性差等问题. 同时, 进一步的研究确定了超声在不同环境, 不同处理时间及不同前驱体条件下的效果, 对后续研究中的工艺改进具有重要指导意义. 所制得的水溶性石墨烯极易成膜, 在电热方面表现出低电压, 高速升温和温度一致性好等优点, 有望作为新型电热材料推广应用.
该研究团队致力于石墨烯材料的创新制备和应用研究, 大力发展原创性制备技术获得高质量石墨烯, 水溶性石墨烯和石墨烯量子点等高端石墨烯材料, 相关研究先后得到了国家重大科技专项项目, 国家自然科学基金项目及中科院战略性先导科技专项的支持.
