研究背景

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石墨烯早已躍為二維層狀材料家族中的明星材料，其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、輸運(yùn)性質(zhì)使其有望在光電、催化、傳感、儲(chǔ)能等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力。

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目前，常用于制備石墨烯的方法有機(jī)械剝層法、液相剝層法、外延生長法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)還原氧化石墨烯等方法。但這些方法普遍存在產(chǎn)量低、產(chǎn)物尺寸小、生產(chǎn)成本高、對(duì)環(huán)境負(fù)擔(dān)大等問題，阻礙了石墨烯的學(xué)術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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與上述方法相比，電化學(xué)剝離石墨電極制取石墨烯的方法具有操作簡易、可在液相中操作、環(huán)境友好、成本低廉、產(chǎn)物易于控制等優(yōu)勢(shì)，有望成為大規(guī)模制備石墨烯的新途徑。

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電化學(xué)剝離石墨法可以分為兩類，即既可以采用陰離子在陽極嵌入石墨電極的方法，也可以采用陰離子在陰極嵌入石墨電極的方法。無論采用哪種方法，石墨烯的產(chǎn)率、產(chǎn)量及產(chǎn)物質(zhì)量都與石墨源、電解液和嵌入電位的選取息息相關(guān)。

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以往的研究表明，用陽極氧化法剝離石墨電極的效率更高，但高電壓下的副反應(yīng)不可避免的向石墨烯中引入大量表面缺陷（主要為含氧基團(tuán)），使產(chǎn)物質(zhì)量較差。

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而將石墨作為陰極，采用陽離子插層法則能避免含氧基團(tuán)的生成。但這種方法的石墨烯產(chǎn)率并不高。因?yàn)槭帢O與半徑較大的陽離子相互作用，往往使石墨電極斷裂，從而使石墨片脫離電極，造成物料損失。

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因此，這兩種方法都只能在一個(gè)電極上產(chǎn)生石墨烯，而無法充分利用對(duì)電極上發(fā)生的反應(yīng)，由此造成的物料損失及電能浪費(fèi)使電化學(xué)剝離石墨法的產(chǎn)率較低，難以走向?qū)嵱没M(jìn)程。

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在此基礎(chǔ)上，如果將石墨電極同時(shí)作為陰極和陽極，則有望在陰、陽極上同時(shí)產(chǎn)生石墨烯，提高能量利用效率及石墨烯產(chǎn)率。

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然而，利用雙電極進(jìn)行電化學(xué)剝離石墨法的最大困難在于陰、陽離子及溶劑的選取。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)體系中的各組分進(jìn)行系統(tǒng)篩選，是電化學(xué)剝離石墨法走向?qū)嶋H生產(chǎn)的必經(jīng)之路。

成果速遞

近日，西安交通大學(xué)的徐友龍教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)經(jīng)過系統(tǒng)的篩選和優(yōu)化，選用TBAClO₄/PC溶劑，并設(shè)計(jì)了用多孔金屬網(wǎng)包覆石墨電極制成的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合石墨電極，將其作為電解池的陰極和陽極，采用電化學(xué)剝層的方法，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)石墨烯的宏量制備。

在電解過程中，TBA⁺和ClO₄^–分別嵌入陰極和陽極，形成石墨插層化合物。隨后，石墨插層化合物經(jīng)熱分解產(chǎn)生石墨烯。

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該方法的石墨烯產(chǎn)率高達(dá)85%（陰極）和48%（陽極）, 產(chǎn)生石墨烯的速率高達(dá)25 g/h。

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該方法生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量較高，其電導(dǎo)率高（＞3×10⁴ S/m），缺陷含量低（I_D/I_G＜0.08），氧化程度低（C/O原子比＞18.4）。70%的石墨烯片層都只有1-3層，其橫向尺寸為1-5 μm。

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該方法制備的石墨烯能均勻分散在溶液中。將所得石墨烯以10 mg/mL的濃度分散在NMP中，用噴墨打印法能制備得到柔性導(dǎo)電的石墨烯薄膜。

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該工作以“Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation ofGraphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene”為標(biāo)題于2019年7月10日在線發(fā)表在Adv.Funct. Mater.上。

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圖文導(dǎo)讀

圖一、雙電極電化學(xué)剝離石墨法的溶劑篩選

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圖二、雙電極電化學(xué)剝離石墨法的裝置、產(chǎn)物、原理、產(chǎn)率

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圖三、雙電極電化學(xué)剝離石墨法的機(jī)理研究

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圖四、單電極與雙電極電化學(xué)剝離石墨法的過程對(duì)比

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圖五、石墨烯的形貌及結(jié)構(gòu)表征

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圖六、石墨烯的缺陷含量、表面化學(xué)、電導(dǎo)率表征

圖七、該工作與此前其他工作的對(duì)比

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圖八、將石墨烯分散在NMP中制成柔性導(dǎo)電薄膜及其應(yīng)用

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原文信息

Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphitetoward Scalable Production of High-Quality Graphene（Adv. Funct. Mater.， 2019， DOI：10.1002/adfm.201902171）

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201902171