復旦攜手新加坡國立實現石墨烯水相中的高效率制備

石墨烯是現有材料中厚度最薄、強度最高、導熱性最好的新型二維材料,在智能裝備、航空航天、能源儲存和環境治理等諸多領域應用潛力巨大,是重要的戰略新興材料。然而,如何實現高質量石墨烯的高效率、規模化制備,一直是制約其大規模應用的關鍵難題。理想解決方案是從天然鱗片石墨出發,將其在液相中剝離成石墨烯。

據專傢介紹,為避免石墨烯的不可逆聚集,液相剝離通常需要在特定溶劑中進行,而溶劑對石墨烯的分散能力則限制瞭剝離的效率,以致液相剝離很難在高濃度下進行。典型情況下石墨烯含量通常小於1mg/mL,這意味著生產1kg石墨烯至少需要1噸的溶劑用量。除此之外,石墨烯強烈的聚集傾向也使其難以存儲、運輸,為後續應用提出挑戰。

復旦大學新加坡國立大學研究人員合作,通過在石墨烯表面引入極少量可電離含氧官能團,實現高質量石墨烯在水相中的高效率制備,有利於加速石墨烯大規模產業化應用。針對上述難題,研究人員采用一種非穩定分散的策略,通過在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團,實現在極高濃度下的快速、高產率剝離,剝離產物90%以上為單層石墨烯,且晶格缺陷少。剝離過程中,由於表面雙電層被壓縮,石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀,後者即使濃縮至固含量很高的濾餅,室溫儲存一月後,仍可再次分散於水溶液中形成均勻穩定的石墨烯懸浮液,從而有效解決石墨烯規模化應用中的儲存和運輸問題。

除此之外,該方法制備的石墨烯水相漿料表現出良好的流變特性,可直接通過3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠,從而為石墨烯在儲能、環境治理、多功能復合材料等領域的應用提供瞭新的路徑。

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