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高质量石墨烯将可在水相中高效率制备

  据新华社消息记者从复旦大学获悉,该校与新加坡国立大学研究人员合作,通过在石墨烯表面引入极少量可电离含氧官能团,实现高质量石墨烯在水相中的高效率制备,有利于加速石墨烯大规模产业化应用。相关成果近日在线发表于《自然·通讯》杂志。 

  石墨烯是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型二维材料,在智能装备、航空航天、能源储存和环境治理等诸多领域应用潜力巨大,是重要的战略新兴材料。 

  然而,如何实现高质量石墨烯的高效率、规模化制备,一直是制约其大规模应用的关键难题。理想解决方案是从天然鳞片石墨出发,将其在液相中剥离成石墨烯。 

  据专家介绍,为避免石墨烯的不可逆聚集,液相剥离通常需要在特定溶剂中进行,而溶剂对石墨烯的分散能力则限制了剥离的效率,以致液相剥离很难在高浓度下进行。典型情况下石墨烯含量通常小于1mg/mL,这意味着生产1kg石墨烯至少需要1吨的溶剂用量。此外,石墨烯强烈的聚集倾向也使其难以存储、运输,为后续应用提出挑战。 

  如何克服这些难题?研究人员采用一种非稳定分散的策略,通过在石墨烯表面引入极少量的可电离含氧官能团,实现在极高浓度(50mg/mL)下的快速、高产率剥离,剥离产物90%以上为单层石墨烯,且晶格缺陷少。剥离过程中,由于表面双电层被压缩,石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀,后者即使浓缩至固含量很高的滤饼,室温储存一月后,仍可再次分散于水溶液中形成均匀稳定的石墨烯悬浮液,从而有效解决石墨烯规模化应用中的储存和运输问题。 

  此外,该方法制备的石墨烯水相浆料表现出良好的流变特性,可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶,从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。     吴振东

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