石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)熱性最好的新型二維材料，在智能裝備、航空航天、能源儲(chǔ)存和環(huán)境治理等諸多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，是重要的戰(zhàn)略新興材料。然而，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的高效率、規(guī)模化制備，一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題。理想解決方案是從天然鱗片石墨出發(fā)，將其在液相中剝離成石墨烯。
據(jù)專家介紹，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(jìn)行，而溶劑對(duì)石墨烯的分散能力則限制了剝離的效率，以致液相剝離很難在高濃度下進(jìn)行。典型情況下石墨烯含量通常小于1mg/mL，這意味著生產(chǎn)1kg石墨烯至少需要1噸的溶劑用量。除此之外，石墨烯強(qiáng)烈的聚集傾向也使其難以存儲(chǔ)、運(yùn)輸，為后續(xù)應(yīng)用提出挑戰(zhàn)。
復(fù)旦大學(xué)與新加坡國(guó)立大學(xué)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(tuán)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯在水相中的高效率制備，有利于加速石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)上述難題，研究人員采用一種非穩(wěn)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(tuán)，實(shí)現(xiàn)在極高濃度下的快速、高產(chǎn)率剝離，剝離產(chǎn)物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少。剝離過程中，由于表面雙電層被壓縮，石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀，后者即使?jié)饪s至固含量很高的濾餅，室溫儲(chǔ)存一月后，仍可再次分散于水溶液中形成均勻穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，從而有效解決石墨烯規(guī)?；瘧?yīng)用中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。
除此之外，該方法制備的石墨烯水相漿料表現(xiàn)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(chǔ)能、環(huán)境治理、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的路徑。
