【儀表網 儀表上游】石墨烯是二維層狀材料家族中的明星材料，其優異的機械、電學、光學、力學性質使其在光電、催化、傳感器、透明導電薄膜、柔性電子器件、能源儲存、防腐涂料、潤滑、結構增強、武器裝備、航天航空等領域展示出廣闊的應用前景。據介紹，目前常用于制備石墨烯的方法有機械剝離法、液相剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、化學還原氧化石墨烯以及電化學方法。
近日，西安交通大學先進儲能電子材料與器件研究所徐友龍教授團隊經過系統的篩選和優化，選用四丁基高氯酸銨/碳酸丙烯酯溶液為剝離電解液，并設計了金屬網包裹天然石墨的三明治結構石墨電極，通過深入探究離子嵌入石墨產生剝離過程的機理，采用電化學和熱膨脹剝離相結合的方法，實現了陰陽極同時制備高質量的石墨烯。
所謂電化學方法是在電場的作用下，通過陽極氧化或者陰極還原石墨電極，驅動電解液中的離子嵌入到石墨層中致使石墨結構發生膨脹、層間相互作用力減弱并隨之產生剝離。與上述其他方法相比，電化學方法制備石墨烯具有設備簡單、過程、環境相對友好、成本低廉、可控性強且制備周期短等優點，是一種有很大潛力的大規模生產石墨烯的方法。陽極氧化法容易在石墨烯上產生大量氧化缺陷，陰極還原剝離能避免含氧基團的生成，但制備的石墨烯產率并不高。目前學界對于電化學陽極、陰極剝離石墨開展了較多的探索研究，但迄今為止，使用電化學方法，尤其是陰陽雙極同時剝離，仍然無法地制備高質量、高產率的石墨烯。
西安交大采用電化學和熱膨脹剝離相結合的方法制備的石墨烯不僅產率高(陰極：85%和陽極：48%)，而且石墨烯缺陷少(ID/IG<0.08)、氧化程度低(C/O原子比>18.4)、電導率優異(>3×104 S/m)。另外在實驗室條件下使用大尺寸石墨電極(Φ=20cm, 厚度5mm)生產石墨烯的速度可以達到25 g/h，為規模化制備高質量石墨烯奠定了基礎。
上述研究成果以《電化學陰陽雙極同步剝離石墨宏量制備高質量石墨烯》(Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene)為題發表在期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials,影響因子IF: 15.621)。
其實，西安交大科研人員對于石墨烯的研究科學家們一直沒有停下探索的腳步。此前，化工學院李明濤課題組設計開發了一種具有二維結構g-C3N4/石墨烯保護層的正極材料，獲得了長循環壽命的鋰硫電池。論文《一種二維層狀g-C3N4/石墨烯復合型正極夾層增強鋰硫電池循環性能研究》發表在期刊《可持續能源材料化學》(ChemSusChem)并入選為封面文章。西安交通大學新聞網
21世紀以來，能源與環境問題日益凸顯，發展綠色、的新能源存儲技術迫在眉睫。鋰硫電池作為一種高比能二次電池，具有價格低廉、儲備豐富、環境友好等特點，被譽為鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發展方向。鋰硫電池中多硫化鋰的“穿梭效應”是造成電池性能衰退的主要原因，阻礙其進一步實際應用。
西安交大此項研究創造性地設計了一種二維插層結構的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負極之間構建了多層“防鯊網”，不僅能通過物理和化學雙重作用阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快Li+的擴散，從而大大提升電池的循環壽命。該研究對提升鋰硫電池電化學性能及進一步實現產業化具有理論指導意義。
新興產業的發展往往離不開國家在頂層設計層面的鼓勵扶持。國家政策引導、規劃加速，石墨烯產學研合作機制逐日完善。《新材料產業“十二五”發展規劃》中明確提出“支持石墨烯新材料發展”；石墨烯領域國家層面綱領性文件《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》發布；《新材料產業發展指南》及《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》等相繼出臺，將石墨烯產業擺在戰略發展的重要位置。
(資料來源：科技日報，西安晚報，西安交通大學新聞網)
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