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Nature Chem.:不用表面活性剂,单层石墨烯也能稳定分散在水中

在过去的十多年里,在水溶液中大批量制备无表面活性剂的单层石墨烯一直是材料科学家梦寐以求的愿望。然而由于石墨烯表面的疏水性,很难均匀分地散到水中,容易团聚,因此也限制了石墨烯的应用发展。


近日,法国科学院Centre de Recherché Paul Pascal(CRPP)Alain PénicaudCarlos Drummond等人在Nature Chemistry杂志上发表文章,通过液相剥离的方法简单而有效地制备得到了能够分散在水中的单层石墨烯,不需要添加任何表面活性剂,且可以在空气中长时间稳定存在。


传统的液相剥离法制备石墨烯通常以石墨或膨胀石墨为原料,通过将石墨夹层化合物分散在某种有机溶剂或水中,并借助超声波、加热或气流的作用剥离得到单层或多层石墨烯溶液。这种方法制备石墨烯具有成本低、操作简单等优点,但也存在产率不高、片层团聚严重、长时间超声造成石墨烯大量结构缺陷、需要引入较多表面活性剂或者表面活化物等缺点,使得这种制备方法受到很大的制约。


这项工作中,研究者采取的制备方法非常简单:首先将石墨夹层化合物(KC8)分散于四氢呋喃溶液中,并搅拌6天,取上层液体留用。然后将石墨烯THF溶液逐滴加入脱气的水中,并缓慢蒸发掉有机溶剂即可。整个过程不需要添加表面活性剂,由于KC8具有强还原性,被空气中的氧气氧化变成石墨烯,分散到水溶液中,整个过程产率4%,溶液浓度可达0.16 g/L,并可以稳定保存数月之久。

单层石墨烯水溶液制备示意图。图片来源:Nature Chem.


随后,研究者通过拉曼光谱、中子散射光谱和原子力显微镜(AFM)等测试,拉曼光谱中的石墨烯的2D特征峰、AFM测试的石墨烯片层的厚度等都证实了剥离得到的石墨烯为单层石墨烯,且缺陷较少。由此制备的石墨烯薄膜导电率高达32 KS•m-1,可以满足器件的制备要求。

AFM、TEM测试,及薄膜电导率测试。图片来源:Nature Chem.


研究者总结了此项研究的意义:(1)单层石墨烯可以有效地分散在水溶液中,无需添加任何表面活性剂,石墨烯展开面积可达400m2·L-1,并且可以稳定存在数月。这种方法可以借鉴到其他二维材料的制备过程中。(2)拉曼光谱对石墨烯的2D峰检测敏感度很高,可以用来检验石墨烯水溶液。(3)良好的分散性可以拓展石墨烯的应用,诸如药物载体、毒理学研究、复合材料、电化学催化剂、3D结构超级电容器等等。(4)单层石墨烯分散在水中为研究疏水表面和水的相互作用关系提供了试验模型。


其实,石墨夹层化合物及石墨插层反应已有很长的研究历史,仅KC8液相剥离制备石墨烯就有数篇文献报道。探索新型插层反应以及扩展化合物的类型,无论对材料的制备还是反应动力学的研究都有着重要的意义。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2669.html

Surfactant-free single-layer graphene in water

Nature Chem., 2016, DOI: 10.1038/nchem.2669


(本文由小希供稿)


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