隨著石墨烯產業的迅猛發展，低成本可持續地合成單層氧化石墨烯（GO），對于諸如水脫鹽、熱管理、儲能以及功能復合材料等眾多應用而言，愈發重要。與傳統化學氧化方法相比，石墨插層化合物（GIC）的水電解氧化在環境友好性、安全性和效率方面展現出顯著優勢，但卻存在氧化不均勻的問題，通常產率約為50 wt.%，且單層產物占比約50%。在此，作者的研究表明，水誘導的GIC脫插層作用是導致水電解氧化法氧化不均勻的原因。通過原位實驗，揭示了控制GIC電化學氧化和脫插層過程的水擴散控制原理?；谶@些原理，我們開發了一種液膜電解方法，以精確控制水擴散，從而在氧化與脫插層之間實現動態平衡，使得能夠以高產率（約180 wt.%）和極低的成本（約為Hummers法的1/7）實現均勻單層GO的工業化可持續合成。此外，該方法能夠精確控制GO的結構，并且可以使用純水合成GO。這項工作為理解水在石墨電化學反應中的作用提供了新的視角，為GO的工業化應用鋪平了道路。
Fig 1. 一級硫酸插層石墨化合物（SA - GIC - I）吸水導致的脫插層現象（DIWA）及其對電化學（EC）氧化合成的氧化石墨烯（GO）薄片性能的影響。新合成的SA - GIC - I的照片（a，藍色區域）；在空氣中吸水后脫插層的SA - GIC（b，淺灰色區域，于20 ℃、濕度70 % 的空氣中放置50分鐘）；在水中吸水后脫插層的SA - GIC（c，深灰色區域，在水中浸泡5秒）。d 為（a - c）中所示樣品對應的X射線衍射（XRD）圖譜。比較SA - GIC - I在不同濕度空氣中脫插層所需時間（e）以及在不同硫酸（SA）濃度的硫酸水溶液中脫插層所需時間（f）。通過對一級、二級和三級SA - GIC進行乳液電解氧化合成的GO薄片的性能：（g）擬合后的X射線光電子能譜（XPS），其中虛線表示對應不同碳結合模式的解卷積峰；（h）拉曼光譜；（i）紫外 - 可見（UV - Vis）光譜。比例尺：（a）1 cm；（b）1 cm；（c）1 cm。
Fig 2. 電化學氧化過程中 SA - GIC - I 陽極的吸水脫插層（DIWA）與水電解氧化（OWE）的原位研究。a 原位實驗裝置示意圖。b 裝置 I：乳液電解，時間序列照片展示了 SA - GIC - I 的逐步水電解氧化過程。c 裝置 II：使用少量硫酸水溶液電解質進行局部接觸電解，時間序列照片展示了 SA - GIC - I 的逐步吸水脫插層過程。d 裝置 III：使用適量硫酸水溶液電解質進行局部接觸電解，時間序列照片展示了快速且均勻的電化學氧化過程。e 裝置 IV：浸沒在過量硫酸水溶液電解質中進行電解，時間序列照片展示了吸水脫插層速率快于水電解氧化速率，導致氧化不均勻。f 從（b - e）中標注區域獲取的拉曼光譜。水擴散速率對氧化電壓（g）和硫酸濃度（h）的依賴關系。比例尺：（b）200 微米；（c）100 微米；（d）100 微米；（e）100 微米。
Fig 3. 通過液膜電解（LME）高產率合成均勻的氧化石墨烯（GO）。a 基于溶解性和密度差異，硫酸（SA）、四氯化碳（CCl?）、硫酸/水（SA/Water）和石蠟油（PA）的分層現象（靜置1個月，左圖）。b 基于溶劑分層的SA - GIC - I的液膜電解氧化。c 通過液膜電解合成的GO水溶液。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對比（d）、擬合后的X射線光電子能譜C1s精細譜（其中虛線表示對應不同碳結合模式的解卷積峰）（e），以及通過液膜電解（EGO）和Hummers法（HGO）合成的GO的拉曼光譜對比（f）。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（g）、原子力顯微鏡（AFM）圖像（h）、透射電子顯微鏡（TEM）圖像及相應的選區電子衍射（SAED）圖案（插圖）（i）、EGO的層數分布（j）和橫向尺寸分布（k）。（h）中的插圖是沿白色線條獲取的EGO薄片的高度輪廓。l 雷達圖對比現有水電解氧化法（黑色）、Hummers法（藍色）和液膜電解法（紅色），其中穩定性以zeta電位的絕對值衡量。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（插圖，51 nm?¹）。
Fig 4. 通過液膜電解（LME）調控氧化石墨烯（GO）的結構與性能。a 在不同氧化電壓下合成的GO樣品，其橫向尺寸、碳氧比（C/O）與zeta電位之間的關系。b 在2.8 V氧化電壓下，不同硫酸濃度合成的GO片層，其碳氧比、單層占比與zeta電位之間的關系。在2.8 V氧化電壓下使用純水合成的GO的表征：(c) zeta電位（插圖為GO分散液）；(d) 偏光光學顯微鏡（POM）圖像；(e) 原子力顯微鏡（AFM）圖像。在2.8 V氧化電壓下使用質量分數30%硫酸合成的GO的表征：(f) zeta電位（插圖為GO分散液）；(g) POM圖像；(h) AFM圖像。比例尺：(c) 5厘米（插圖）；(d) 500微米；(e) 10微米；(f) 5厘米（插圖）；(g) 500微米；(h) 10微米。
Fig 5. 通過液膜電解（LME）實現均勻氧化石墨烯（GO）的工業化生產。a 工業液膜電解設備的照片。b 工業液膜電解設備中使用的石墨紙卷。c 由工業液膜電解設備生產的氧化石墨紙，呈現出明顯的黃色。d 工業液膜電解設備在3天內生產出500千克（質量分數1.2%）的氧化石墨烯分散液。e 液膜電解法與Hummers法工業化生產氧化石墨烯的關鍵參數對比。比例尺：(a) 50厘米；(b) 20厘米；(c) 20厘米；(d) 20厘米。
相關研究工作由中國科學院金屬研究所Wencai Ren團隊于2025年發表在《Nat. Commun》期刊上，Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide.原文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-56121-4
轉自《石墨烯研究》公眾號
