成会明院士团队创新方法,实现石墨烯高产制备

石墨烯氧化物（GO）作为一种重要的材料，因其优异的分散性、化学反应性和与其他材料的兼容性，广泛应用于水处理、能源存储、热管理、功能复合材料和生物医学等多个领域。特别是在智能手机、5G通信系统等高科技领域，GO的需求越来越大。然而，现有的GO合成方法通常存在高成本、低效率、对环境有污染等问题，因此，发展一种低成本、高效率、环保的GO合成方法变得非常重要。

   GO合成的挑战与现有技术的问题

目前，Hummers法是最常见的石墨烯氧化物合成方法。这种方法使用强氧化剂（如高锰酸钾和硫酸）将石墨氧化成石墨烯氧化物。然而，这种方法不仅反应时间长，而且会对环境造成污染，产生大量有害气体。更重要的是，使用这种方法合成的GO产率和质量都难以控制，氧化程度不均匀，无法精确控制GO的层数和尺寸，限制了它在一些高端应用中的发挥。

随着科技的发展，越来越多的研究人员开始探索更为绿色、环保且高效的合成方法。电化学氧化作为一种新兴的合成方法，因其反应速率快、能效高、操作简单等优点，逐渐成为研究的热点。然而，电化学氧化也有一些难题，其中最重要的问题就是氧化不均匀，尤其是在大规模生产时，石墨烯氧化物的产率和单层比例难以保证。

   水在电化学氧化中的作用

在电化学氧化过程中，水起着至关重要的作用。水不仅是电解过程的必要成分，还通过水分子产生氧自由基，帮助实现石墨的氧化。另一方面，水分子进入石墨烯插层化合物（GIC）后，会引发去插层反应。去插层反应会导致GIC的结构发生变化，从而影响氧化过程的均匀性。

具体来说，水分子会在石墨烯插层化合物的层间空间中扩散，导致这些层间的插层物质被“挤出”或“溶解”，从而改变GIC的结构。这个过程如果控制不好，可能会导致部分GIC不稳定，进而影响氧化反应的均匀性，最终产生不一致的GO产品。这也是电化学氧化法在实际应用中的主要问题之一，尤其是在湿润环境下，水分扩散得太快，去插层反应往往会发生得过于迅速，导致氧化不均匀，最终影响GO的产率和质量。

   液膜电解法：精准控制氧化过程

为了克服传统电化学氧化法中的非均匀氧化问题，成会明院士团队开发了一种新方法——液膜电解法（LME）。这一方法的核心是控制水在电解液中的扩散速度，使氧化过程更加均匀。液膜电解法通过一种特殊的液膜结构，将电解液分成多个层次，从而有效控制水的扩散。 液膜电解法的优势在于，它可以精确调节GIC和电解液的接触面积，避免水分过多进入电解反应区，影响氧化过程。通过控制水的扩散，研究人员能够保持氧化和去插层反应的平衡，从而实现均匀的石墨烯氧化物合成。实验表明，液膜电解法合成的GO不仅产率高，而且超过99%的GO都是单层结构，使得GO的质量和性能得到了显著提升。

此外，液膜电解法还能精确调节GO的氧化程度和层数。通过调整电解液的浓度、电压和水的扩散速度，研究人员能够根据不同应用需求，控制GO的尺寸、氧化程度以及表面性质。这使得液膜电解法在工业生产中具有广阔的应用前景。

   工业化前景

为实现大规模生产，研究人员开发了基于液膜电解法的工业生产设备。与传统的Hummers法相比，液膜电解法的优势非常明显：首先，生产成本只有传统方法的1/7；其次，生产效率大大提高，可以在短时间内合成大量高质量的GO；最后，液膜电解法没有使用任何有害化学物质，环保性和安全性也显著提高。 在工业化生产过程中，液膜电解法的设备能够持续不断地生产GO，生产过程中不仅保持了高单层比例，还确保了GO的氧化程度达到了理想水平。这意味着，液膜电解法不仅能在短时间内合成出大量GO，还能保证每一批GO的质量稳定。

图. LME工业化生产均匀GO。a.工业LME设备照片。b. 工业LME设备中使用的石墨纸卷。c. 工业LME设备生产的氧化石墨纸，呈现出明显的黄色。d. 工业LME设备在3天内生产了500公斤GO分散体 (1.2 wt.%)。

   GO的主要应用领域

1. 能源存储：高性能超级电容器与锂电池

GO由于其丰富的氧官能团，能在水溶液中形成稳定的分散液，并可作为电极材料提高导电性。锂离子电池：GO可硅作为耐久材料的包覆层，提高循环稳定性，减少体积膨胀问题。超级电容器：GO可以作为活性材料，提升电极的比电容，提高能量存储能力。随着新能源市场的发展，GO在电池行业的应用前景巨大，尤其是硅碳和高能量密度电池领域。

2. 电子与柔性设备

GO具备优异的导电性能，并且可以通过还原处理进一步提高电子迁移率。透明导电膜：可替代ITO，获取触摸屏、OLED显示器、太阳能电池等。柔性电子：GO的可拉伸性和导电性成为柔性传感器和可穿戴设备的理想材料。印刷电子：GO水性分散液可用于喷墨、3D打印制造电子电路，简化生产工艺。

3. 环境治理与水处理

GO具有极高的比表面积和丰富的含氧功能团，成为高效的吸附材料。重金属离子：GO能够高效吸附水中的铅、汞、汞等重金属离子，废水处理。海水淡化：GO基膜技术可以实现水的过滤，提高海水淡化效率。空气净化器：GO涂层可用于空气过滤设备，吸附有害气体和细颗粒物。

   与AI结合

随着人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的飞速发展，液膜电解法与这些先进技术的结合，能够为GO的合成提供更多的创新机会。AI可以帮助优化电解液的成分、电压、反应时间等参数，从而进一步提升GO的合成效率和质量。通过AI技术，研究人员还可以预测GO的性能，并根据应用需求进行定制化合成。 例如，在电子设备、智能传感器等领域，GO的结构和性能要求非常高，传统方法很难满足这些精确的需求。而结合AI技术后，液膜电解法能够更加灵活地调整GO的结构和性能，确保其满足不同领域的应用需求。 综上所述，液膜电解法（LME）通过精确控制水的扩散速率，有效解决了传统电化学氧化法中的非均匀氧化问题。该方法不仅提高了GO的产率和单层比例，还能够精确调节GO的氧化程度和尺寸，满足不同应用的需求。随着该技术的进一步优化和AI技术的结合，液膜电解法将为GO的工业化生产和应用开辟新的前景。 GO作为一种重要的材料，未来将广泛应用于电子设备、能源存储、智能传感器、环保材料等多个领域。液膜电解法的成功研发，不仅推动了GO的合成技术进步，还为石墨烯材料的应用带来了更大的空间，在未来的科技发展中将发挥更加重要的作用。