基於分子吸附保護和充分氧化的電化學剝離法製備水溶性石墨烯
石墨烯材料由於其極佳的物理化學性能 (室溫下載流子遷移率高達15000 cm 2/V•s, 高熱導率: 5000 W/m•K, 楊氏模量: 350 N/m等) , 被廣泛應用於鋰離子電池, 感測, 儲能材料以及生物醫藥等諸多領域. 因此, 石墨烯材料的低成本規模化的製備與有效分散是實現這些應用的前提, 也成為科學研究的重要課題. 目前, 使用廉價的石墨作為原料, 通過石墨層間插層和剝離可批量化製備石墨烯材料, 仍存在產率低, 製備體系不環保, 安全性差等問題. 同時, 產物石墨烯由於片層間範德華力的作用, 易發生片層回疊與聚沉, 另外表面能不匹配, 導致石墨烯難以分散在水溶液或其他低沸點有機溶劑中, 極大影響了石墨烯材料的實際應用. 因此, 開發綠色, 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點有機溶液中, 是石墨烯材料領域的重要研究課題.
近日, 中國科學院上海微系統與資訊技術研究所石墨烯粉體材料研究團隊丁古巧, 何朋等科研人員, 在水溶性石墨烯材料製備方面取得進展: 基於創新的電化學技術和超聲輔助分散機制, 在NaOH與PTA混合電解液體系中實現了少層高濃度水溶性石墨烯的製備, 相關研究成果線上發表在Green Chemistry上. 在這一體系中, 研究人員通過控制電化學過程, 使PTA析出並吸附於石墨電極, 促進石墨充分氧化和逐層剝離, 隨後輔以超聲處理進一步提高產率, 實現了高產率 (87.3%) , 高固含量 (8.2 g/L) 以及高穩定性 (8個月以上) 的少層微米尺寸水溶性石墨烯的製備, 相對於已有研究報道具有明顯優勢. 同時, 由於電化學陽極分子吸附保護機制, 實現了產物片層sp2結構的保留, 製備成膜後, 經較低溫度熱還原便可獲得較高的電導率 (9517 S/m) , 應用潛力巨大. 進一步的機理研究明確了不同於以往插層, 氧化, 膨脹, 剝離的電化學機制, 逐層剝離和深入氧化的電化學新機制克服了傳統電化學方法剝離不完全導致的產物層數多, 質量低, 分散性差等問題. 同時, 進一步的研究確定了超聲在不同環境, 不同處理時間及不同前驅體條件下的效果, 對後續研究中的工藝改進具有重要指導意義. 所製得的水溶性石墨烯極易成膜, 在電熱方面表現出低電壓, 高速升溫和溫度一致性好等優點, 有望作為新型電熱材料推廣應用.
該研究團隊致力於石墨烯材料的創新製備和應用研究, 大力發展原創性製備技術獲得高質量石墨烯, 水溶性石墨烯和石墨烯量子點等高端石墨烯材料, 相關研究先後得到了國家重大科技專項項目, 國家自然科學基金項目及中科院戰略性先導科技專項的支援.
