電化學陰陽雙極同步剝離石墨宏量制備高質量石墨烯原理示意圖。
【文匯網訊】(香港文匯網記者 李陽波 西安報道)作為二維層狀材料家族中的明星材料和超級材料，石墨烯近年來在多個領域展示出廣闊的應用前景，然而目前使用的幾種制備方法卻或多或少存在一些缺陷。記者3日從西安交通大學獲悉，該校徐友龍教授團隊經過系統的篩選和優化，近日成功探索出一種「電化學陰陽雙極同步剝離石墨宏量制備高質量石墨烯」的新方法，這也為未來規模化制備高質量石墨烯奠定了基礎。
石墨烯應用廣但制備方法難
據了解，石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的二維碳納米材料，具有優異的機械、電學、光學、力學性質，可廣泛應用於光電、催化、傳感器、透明導電薄膜、柔性電子器件、能源儲存、防腐塗料、潤滑、結構增強、武器裝備、航天航空等領域，被認為是一種未來革命性的材料。
據介紹，石墨烯的制備方法對其品質和性能有很大影響，低成本、高品質、大批量的制備技術是石墨烯能得到廣泛應用的關鍵。目前世界上現有制備石墨烯的方法很多，包括機械剝離石墨法、液相剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、電化學還原氧化石墨烯等。其中，電化學方法是在電場的作用下，通過陽極氧化或者陰極還原石墨電極，驅動電解液中的離子嵌入到石墨層中致使石墨結構發生膨脹、層間相互作用力減弱並隨之產生剝離。這種方法因為設備簡單、過程高效、環境相對友好、成本低廉、可控性強且制備週期短等優點，越來越受到人們的關注，是一種具有很大潛力的大規模生產石墨烯的方法。據最新研究報道，通過電化學方法制備的石墨烯可以達到克量級，這為石墨烯的工業化生產帶來了曙光。
然而，使用這種制備方法，陽極氧化法容易在石墨烯上產生大量氧化缺陷，陰極還原剝離雖能避免含氧基團的生成，但制備的石墨烯產率並不高。目前學界對於電化學陽極、陰極剝離石墨開展了較多的探索研究，但迄今為止，使用電化學方法，尤其是陰陽雙極同時剝離，仍然無法高效地制備高質量、高產率的石墨烯。
為規模化制備高質量石墨烯奠定基礎
西安交通大學先進儲能電子材料與器件研究所徐友龍教授團隊經過長期系統的篩選和優化，選用四丁基高氯酸銨/碳酸丙烯酯溶液為剝離電解液，並設計了金屬網包裹天然石墨的三明治結構石墨電極，通過深入探究離子嵌入石墨產生剝離過程的機理，採用電化學和熱膨脹剝離相結合的方法，最終實現了陰陽極同時制備高質量的石墨烯。該方法制備的石墨烯不僅產率高，而且石墨烯缺陷少、氧化程度低、電導率優異。另外在實驗室條件下使用大尺寸石墨電極(Φ=20cm, 厚度5mm)生產石墨烯的速度可以達到25g/h，這也為規模化制備高質量石墨烯奠定了基礎。
上述研究成果以《電化學陰陽雙極同步剝離石墨宏量制備高質量石墨烯》為題已在國際頂級期刊《先進功能材料》發表，西安交通大學是本論文的唯一署名單位，這也標誌著西安交大在電化學法制備高質量石墨烯研究方面取得新進展。
據悉，徐友龍教授長期致力於新型電解電容器、超級電容器、鋰/鈉離子電池材料與器件、納米材料的制備與應用等領域的研究，目前已以第一作者或通訊作者在國際著名期刊發表學術論文150多篇，其中3篇入選全球前1%「ESI」高引論文。
責任編輯：滅白