随着石墨烯产业的迅猛发展，低成本可持续地合成单层氧化石墨烯（GO），对于诸如水脱盐、热管理、储能以及功能复合材料等众多应用而言，愈发重要。与传统化学氧化方法相比，石墨插层化合物（GIC）的水电解氧化在环境友好性、安全性和效率方面展现出显著优势，但却存在氧化不均匀的问题，通常产率约为50 wt.%，且单层产物占比约50%。在此，作者的研究表明，水诱导的GIC脱插层作用是导致水电解氧化法氧化不均匀的原因。通过原位实验，揭示了控制GIC电化学氧化和脱插层过程的水扩散控制原理。基于这些原理，我们开发了一种液膜电解方法，以精确控制水扩散，从而在氧化与脱插层之间实现动态平衡，使得能够以高产率（约180 wt.%）和极低的成本（约为Hummers法的1/7）实现均匀单层GO的工业化可持续合成。此外，该方法能够精确控制GO的结构，并且可以使用纯水合成GO。这项工作为理解水在石墨电化学反应中的作用提供了新的视角，为GO的工业化应用铺平了道路。
 
 
Fig 1. 一级硫酸插层石墨化合物（SA - GIC - I）吸水导致的脱插层现象（DIWA）及其对电化学（EC）氧化合成的氧化石墨烯（GO）薄片性能的影响。新合成的SA - GIC - I的照片（a，蓝色区域）；在空气中吸水后脱插层的SA - GIC（b，浅灰色区域，于20 ℃、湿度70 % 的空气中放置50分钟）；在水中吸水后脱插层的SA - GIC（c，深灰色区域，在水中浸泡5秒）。d 为（a - c）中所示样品对应的X射线衍射（XRD）图谱。比较SA - GIC - I在不同湿度空气中脱插层所需时间（e）以及在不同硫酸（SA）浓度的硫酸水溶液中脱插层所需时间（f）。通过对一级、二级和三级SA - GIC进行乳液电解氧化合成的GO薄片的性能：（g）拟合后的X射线光电子能谱（XPS），其中虚线表示对应不同碳结合模式的解卷积峰；（h）拉曼光谱；（i）紫外 - 可见（UV - Vis）光谱。比例尺：（a）1 cm；（b）1 cm；（c）1 cm。
 
 
Fig 2. 电化学氧化过程中 SA - GIC - I 阳极的吸水脱插层（DIWA）与水电解氧化（OWE）的原位研究。a 原位实验装置示意图。b 装置 I：乳液电解，时间序列照片展示了 SA - GIC - I 的逐步水电解氧化过程。c 装置 II：使用少量硫酸水溶液电解质进行局部接触电解，时间序列照片展示了 SA - GIC - I 的逐步吸水脱插层过程。d 装置 III：使用适量硫酸水溶液电解质进行局部接触电解，时间序列照片展示了快速且均匀的电化学氧化过程。e 装置 IV：浸没在过量硫酸水溶液电解质中进行电解，时间序列照片展示了吸水脱插层速率快于水电解氧化速率，导致氧化不均匀。f 从（b - e）中标注区域获取的拉曼光谱。水扩散速率对氧化电压（g）和硫酸浓度（h）的依赖关系。比例尺：（b）200 微米；（c）100 微米；（d）100 微米；（e）100 微米。
 
 
Fig 3. 通过液膜电解（LME）高产率合成均匀的氧化石墨烯（GO）。a 基于溶解性和密度差异，硫酸（SA）、四氯化碳（CCl₄）、硫酸/水（SA/Water）和石蜡油（PA）的分层现象（静置1个月，左图）。b 基于溶剂分层的SA - GIC - I的液膜电解氧化。c 通过液膜电解合成的GO水溶液。傅里叶变换红外光谱（FTIR）对比（d）、拟合后的X射线光电子能谱C1s精细谱（其中虚线表示对应不同碳结合模式的解卷积峰）（e），以及通过液膜电解（EGO）和Hummers法（HGO）合成的GO的拉曼光谱对比（f）。扫描电子显微镜（SEM）图像（g）、原子力显微镜（AFM）图像（h）、透射电子显微镜（TEM）图像及相应的选区电子衍射（SAED）图案（插图）（i）、EGO的层数分布（j）和横向尺寸分布（k）。（h）中的插图是沿白色线条获取的EGO薄片的高度轮廓。l 雷达图对比现有水电解氧化法（黑色）、Hummers法（蓝色）和液膜电解法（红色），其中稳定性以zeta电位的绝对值衡量。比例尺：（a）1厘米；（b）1厘米；（c）1厘米；（g）10微米；（h）2微米；（i）2微米（插图，51 nm⁻¹）。
 
 
Fig 4. 通过液膜电解（LME）调控氧化石墨烯（GO）的结构与性能。a 在不同氧化电压下合成的GO样品，其横向尺寸、碳氧比（C/O）与zeta电位之间的关系。b 在2.8 V氧化电压下，不同硫酸浓度合成的GO片层，其碳氧比、单层占比与zeta电位之间的关系。在2.8 V氧化电压下使用纯水合成的GO的表征：(c) zeta电位（插图为GO分散液）；(d) 偏光光学显微镜（POM）图像；(e) 原子力显微镜（AFM）图像。在2.8 V氧化电压下使用质量分数30%硫酸合成的GO的表征：(f) zeta电位（插图为GO分散液）；(g) POM图像；(h) AFM图像。比例尺：(c) 5厘米（插图）；(d) 500微米；(e) 10微米；(f) 5厘米（插图）；(g) 500微米；(h) 10微米。


Fig 5. 通过液膜电解（LME）实现均匀氧化石墨烯（GO）的工业化生产。a 工业液膜电解设备的照片。b 工业液膜电解设备中使用的石墨纸卷。c 由工业液膜电解设备生产的氧化石墨纸，呈现出明显的黄色。d 工业液膜电解设备在3天内生产出500千克（质量分数1.2%）的氧化石墨烯分散液。e 液膜电解法与Hummers法工业化生产氧化石墨烯的关键参数对比。比例尺：(a) 50厘米；(b) 20厘米；(c) 20厘米；(d) 20厘米。
 
        相关研究工作由中国科学院金属研究所Wencai Ren团队于2025年发表在《Nat. Commun》期刊上，Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide.原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-56121-4

转自《石墨烯研究》公众号