石墨烯材料由于其極佳的物理化學(xué)性能（室溫下載流子遷移率高達15000 cm2/V•s，高熱導率：5000 W/m•K，楊氏模量：350 N/m等），被廣泛應用于鋰離子電池、傳感、儲能材料以及生物醫藥等諸多領(lǐng)域。因此，石墨烯材料的低成本規?；闹苽渑c有效分散是實(shí)現這些應用的前提，也成為科學(xué)研究的重要課題。目前，使用廉價(jià)的石墨作為原料，通過(guò)石墨層間插層和剝離可批量化制備石墨烯材料，仍存在產(chǎn)率低、制備體系不環(huán)保、安全性差等問(wèn)題。同時(shí)，產(chǎn)物石墨烯由于片層間范德華力的作用，易發(fā)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(diǎn)有機溶劑中，極大影響了石墨烯材料的實(shí)際應用。因此，開(kāi)發(fā)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(diǎn)有機溶液中，是石墨烯材料領(lǐng)域的重要研究課題。
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)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制備方面取得進(jìn)展：基于創(chuàng )新的電化學(xué)技術(shù)和超聲輔助分散機制，在NaOH與PTA混合電解液體系中實(shí)現了少層高濃度水溶性石墨烯的制備，相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在Green Chemistry上。在這一體系中，研究人員通過(guò)控制電化學(xué)過(guò)程，使PTA析出并吸附于石墨電極，促進(jìn)石墨充分氧化和逐層剝離，隨后輔以超聲處理進(jìn)一步提高產(chǎn)率，實(shí)現了高產(chǎn)率（87.3%）、高固含量（8.2 g/L）以及高穩定性（8個(gè)月以上）的少層微米尺寸水溶性石墨烯的制備，相對于已有研究報道具有明顯優(yōu)勢。同時(shí)，由于電化學(xué)陽(yáng)極分子吸附保護機制，實(shí)現了產(chǎn)物片層sp2結構的保留，制備成膜后，經(jīng)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(jìn)一步的機理研究明確了不同于以往插層、氧化、膨脹、剝離的電化學(xué)機制，逐層剝離和深入氧化的電化學(xué)新機制克服了傳統電化學(xué)方法剝離不完全導致的產(chǎn)物層數多、質(zhì)量低、分散性差等問(wèn)題。同時(shí)，進(jìn)一步的研究確定了超聲在不同環(huán)境、不同處理時(shí)間及不同前驅體條件下的效果，對后續研究中的工藝改進(jìn)具有重要指導意義。所制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(yōu)點(diǎn)，有望作為新型電熱材料推廣應用。
基于分子吸附保護和充分氧化的電化學(xué)剝離法制備水溶性石墨烯
該研究團隊致力于石墨烯材料的創(chuàng )新制備和應用研究，大力發(fā)展原創(chuàng )性制備技術(shù)獲得高質(zhì)量石墨烯、水溶性石墨烯和石墨烯量子點(diǎn)等高端石墨烯材料，相關(guān)研究先后得到了國家重大科技專(zhuān)項項目、國家自然科學(xué)基金項目及中科院戰略性先導科技專(zhuān)項的支持。
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