工艺 | 低缺陷大尺寸的氧化石墨烯的制备

传统的Hummers方法涉及嵌入、氧化、水解和剥离反应制备氧化石墨烯(GO)，这会在基面产生原子规模的缺陷，并解开平面以减小横向尺寸。

近日，韩国弘益大学的Dongwook Lee和Yong-SeogKim等人设计了一种Hummers法制备氧化石墨烯的工艺条件，以获得更小的缺陷浓度和更大的GO尺寸。相关研究以“Spontaneous Exfoliation of Large-Sized Graphene Oxide with Low Defect Concentration by Simple Wet Chemistry”为题发表在《Carbon》上。

本文设计了Hummers法制备氧化石墨烯的工艺条件，特别是石墨材料、KMnO4氧化剂的逐剂量注射、氧化温度和剥离条件，以获得更小的缺陷浓度和更大的氧化石墨烯尺寸。整个反应步骤均在10°C下处理天然石墨材料，并采用氧化剂逐剂量添加方案，得到缺陷密度较低的氧化石墨烯。额外的羧化反应有助于氧化石墨烯薄片的剥离，显示出约 35 μm 的直径和 140% 的质量产率。

本文报道的这种基于湿化学的简单方法为低缺陷浓度的大规模氧化石墨烯的生产铺平了道路。

实验步骤总结

筛分选择原料的最佳横向尺寸，以便接下来的扩散控制反应步骤可以不受阻碍地进行。同时，这个过程去除了过小的原料粉末，因为这项工作的目标是横向大尺寸的 GO。第一步后，所有反应步骤均在10℃以下进行。H2SO4分子的插入使层间距离变宽，有利于KMnO4氧化剂的扩散。氧化剂的用量分为5个剂量，以避免氧化仅集中在石墨晶体的边缘。反应温度设定在10℃以下，在该温度下，氧化剂通过通道的扩散可以比氧化更快。这抑制了由于晶体边缘过度氧化而形成的缺陷，同时在晶体内部引入带电官能团。水解使层间距离进一步扩大到1.30 nm，为下一步额外的羧基化铺平了扩散途径。EDC/NHS耦合反应增强了层间斥力，即不需要外部机械能输入的自发剥离。这种后期羧化作用的具体作用在于以相同的初始原料生产更多的氧化石墨烯，从而获得更高的产量。值得注意的是，本工作避免了缺陷的引入和颗粒粉碎的条件。生产低至单层的GO，没有明显缺陷和横向尺寸收缩，这是一般氧化石墨烯生产方法的典型缺点。

文献信息

Spontaneous Exfoliation of Large-Sized Graphene Oxide with Low Defect Concentration by Simple Wet Chemistry

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.009