【儀表網(wǎng) 儀表上游】石墨烯是二維層狀材料家族中的明星材料，其優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性質(zhì)使其在光電、催化、傳感器、透明導(dǎo)電薄膜、柔性電子器件、能源儲(chǔ)存、防腐涂料、潤(rùn)滑、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、武器裝備、航天航空等領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)介紹，目前常用于制備石墨烯的方法有機(jī)械剝離法、液相剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)還原氧化石墨烯以及電化學(xué)方法。
 

　　近日，西安交通大學(xué)先進(jìn)儲(chǔ)能電子材料與器件研究所徐友龍教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的篩選和優(yōu)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(shè)計(jì)了金屬網(wǎng)包裹天然石墨的三明治結(jié)構(gòu)石墨電極，通過(guò)深入探究離子嵌入石墨產(chǎn)生剝離過(guò)程的機(jī)理，采用電化學(xué)和熱膨脹剝離相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了陰陽(yáng)極同時(shí)制備高質(zhì)量的石墨烯。
 

　　所謂電化學(xué)方法是在電場(chǎng)的作用下，通過(guò)陽(yáng)極氧化或者陰極還原石墨電極，驅(qū)動(dòng)電解液中的離子嵌入到石墨層中致使石墨結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹、層間相互作用力減弱并隨之產(chǎn)生剝離。與上述其他方法相比，電化學(xué)方法制備石墨烯具有設(shè)備簡(jiǎn)單、過(guò)程、環(huán)境相對(duì)友好、成本低廉、可控性強(qiáng)且制備周期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種有很大潛力的大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法。陽(yáng)極氧化法容易在石墨烯上產(chǎn)生大量氧化缺陷，陰極還原剝離能避免含氧基團(tuán)的生成，但制備的石墨烯產(chǎn)率并不高。目前學(xué)界對(duì)于電化學(xué)陽(yáng)極、陰極剝離石墨開(kāi)展了較多的探索研究，但迄今為止，使用電化學(xué)方法，尤其是陰陽(yáng)雙極同時(shí)剝離，仍然無(wú)法地制備高質(zhì)量、高產(chǎn)率的石墨烯。
 

　　西安交大采用電化學(xué)和熱膨脹剝離相結(jié)合的方法制備的石墨烯不僅產(chǎn)率高(陰極：85%和陽(yáng)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(dǎo)率優(yōu)異(>3×104 S/m)。另外在實(shí)驗(yàn)室條件下使用大尺寸石墨電極(Φ=20cm, 厚度5mm)生產(chǎn)石墨烯的速度可以達(dá)到25 g/h，為規(guī)模化制備高質(zhì)量石墨烯奠定了基礎(chǔ)。
 

　　上述研究成果以《電化學(xué)陰陽(yáng)雙極同步剝離石墨宏量制備高質(zhì)量石墨烯》(Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene)為題發(fā)表在期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials,影響因子IF: 15.621)。
 

　　其實(shí)，西安交大科研人員對(duì)于石墨烯的研究科學(xué)家們一直沒(méi)有停下探索的腳步。此前，化工學(xué)院李明濤課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)g-C3N4/石墨烯保護(hù)層的正極材料，獲得了長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰硫電池。論文《一種二維層狀g-C3N4/石墨烯復(fù)合型正極夾層增強(qiáng)鋰硫電池循環(huán)性能研究》發(fā)表在期刊《可持續(xù)能源材料化學(xué)》(ChemSusChem)并入選為封面文章。西安交通大學(xué)新聞網(wǎng)
 

　　21世紀(jì)以來(lái)，能源與環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，發(fā)展綠色、的新能源存儲(chǔ)技術(shù)迫在眉睫。鋰硫電池作為一種高比能二次電池，具有價(jià)格低廉、儲(chǔ)備豐富、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被譽(yù)為鋰離子電池之后下一代動(dòng)力電池體系的發(fā)展方向。鋰硫電池中多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”是造成電池性能衰退的主要原因，阻礙其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用。
 

　　西安交大此項(xiàng)研究創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種二維插層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負(fù)極之間構(gòu)建了多層“防鯊網(wǎng)”，不僅能通過(guò)物理和化學(xué)雙重作用阻擋多硫化物在正負(fù)極之間穿梭，還能加快Li+的擴(kuò)散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。該研究對(duì)提升鋰硫電池電化學(xué)性能及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化具有理論指導(dǎo)意義。
 

　　新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展往往離不開(kāi)國(guó)家在頂層設(shè)計(jì)層面的鼓勵(lì)扶持。國(guó)家政策引導(dǎo)、規(guī)劃加速，石墨烯產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制逐日完善?！缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“支持石墨烯新材料發(fā)展”；石墨烯領(lǐng)域國(guó)家層面綱領(lǐng)性文件《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》發(fā)布；《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》及《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》等相繼出臺(tái)，將石墨烯產(chǎn)業(yè)擺在戰(zhàn)略發(fā)展的重要位置。
 

　　(資料來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)，西安晚報(bào)，西安交通大學(xué)新聞網(wǎng))