一文解讀氧化石墨烯制備的研究進展

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(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，任文才團隊深入研究了電解水制備GO的機制，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關(guān)鍵，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(fā)明了微液膜電解（LME）方法精確控制水的擴散，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~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)進行控制

圖5. LME方法的放大及工業(yè)化生產(chǎn)GO