一文解读氧化石墨烯制备的研究进展

氧化石墨烯（GO）是一类重要的石墨烯材料，具有多种不同于石墨烯的独特性质，是目前应用最为广泛的二维材料，在热管理、复合材料等领域已实现工业化应用，在物质分离、生物医药等领域也表现出良好的应用前景。

目前，GO的批量制备主要采用化学氧化方法（如Hummers法），即通过石墨与浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等强氧化剂的反应来实现GO制备。该反应迄今已有150多年的历史，由于大量强氧化剂的使用，在制备过程中存在爆炸风险、严重的环境污染、成本高等问题，已成为制约GO产业发展的瓶颈。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部任文才团队于2018年提出了电解水氧化制备GO的全新方法，通过采用硫酸插层的石墨作为原料控制电解水产氧反应，利用电解水产生的高活性氧自由基实现石墨的氧化（Nature Communications 9， 145， 2018）。与化学氧化法相比，该方法不仅安全、绿色，而且氧化速率提高100倍以上，已成为制备GO的主要方法之一。然而，该方法存在产物氧化程度不均匀、GO产率和单层率较低的问题，并且这些问题在产业化中变得更加严重，特别是在湿度大的环境中生产GO时，但其原因并不清楚。针对上述问题，任文才团队深入研究了电解水制备GO的机制，发现环境和电解液中水的吸附导致插层石墨原料的脱插层是非均匀氧化的关键，而电解水氧化与水吸附脱插层均受到水从电解液向插层石墨扩散过程的控制，两者的竞争决定了插层石墨能否得到均匀氧化。

基于该理解，他们发明了微液膜电解（LME）方法精确控制水的扩散，有效实现了电解水氧化与水吸附脱插层的动态平衡，从而实现了均一单层GO的工业化连续制备。GO的单层率≥99%，产率可达~180 wt.%，而成本仅为Hummers方法的1/7。并且，利用LME方法可以实现对GO氧化程度和尺寸的有效控制以及利用纯水电解制备GO。 

该工作不仅为电化学制备GO提供了新的认识，而且提供了一种低成本、高产率、可持续制备均一单层GO的方法，为GO的工业化生产和应用奠定了基础。1月16日，该研究成果以“Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide”为题在《Nature Communications》上在线发表。

金属所2023级博士研究生郭佳琪与裴嵩峰研究员为论文的共同第一作者，任文才研究员和裴嵩峰研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委基础科学中心项目、兴辽英才计划“杰出人才”项目等的资助。

图1. 水吸附导致硫酸插层石墨的脱插层及其对电解水制备GO的影响

图2. 电解水制备GO过程中水扩散行为的原位研究

图3. 微液膜电解（LME）方法及其制备的GO

图4. 利用LME方法对GO的结构和性质进行控制

图5. LME方法的放大及工业化生产GO