科研人员实现高质量石墨烯在水相中高效制备

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。