石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)熱性最好的新型二維材料,在智能裝備、航空航天、能源儲(chǔ)存和環(huán)境治理等諸多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大,是重要的戰(zhàn)略新興材料。然而,如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的高效率、規(guī)?;苽?,一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題。理想解決方案是從天然鱗片石墨出發(fā),將其在液相中剝離成石墨烯。

據(jù)專(zhuān)家介紹,為避免石墨烯的不可逆聚集,液相剝離通常需要在特定溶劑中進(jìn)行,而溶劑對(duì)石墨烯的分散能力則限制了剝離的效率,以致液相剝離很難在高濃度下進(jìn)行。典型情況下石墨烯含量通常小于1mg/mL,這意味著生產(chǎn)1kg石墨烯至少需要1噸的溶劑用量。除此之外,石墨烯強(qiáng)烈的聚集傾向也使其難以存儲(chǔ)、運(yùn)輸,為后續(xù)應(yīng)用提出挑戰(zhàn)。

復(fù)旦大學(xué)新加坡國(guó)立大學(xué)研究人員合作,通過(guò)在石墨烯表面引入極少量可電離含氧官能團(tuán),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯在水相中的高效率制備,有利于加速石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)上述難題,研究人員采用一種非穩(wěn)定分散的策略,通過(guò)在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團(tuán),實(shí)現(xiàn)在極高濃度下的快速、高產(chǎn)率剝離,剝離產(chǎn)物90%以上為單層石墨烯,且晶格缺陷少。剝離過(guò)程中,由于表面雙電層被壓縮,石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀,后者即使?jié)饪s至固含量很高的濾餅,室溫儲(chǔ)存一月后,仍可再次分散于水溶液中形成均勻穩(wěn)定的石墨烯懸浮液,從而有效解決石墨烯規(guī)?;瘧?yīng)用中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。

除此之外,該方法制備的石墨烯水相漿料表現(xiàn)出良好的流變特性,可直接通過(guò)3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠,從而為石墨烯在儲(chǔ)能、環(huán)境治理、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的路徑。

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