【仪表网 仪表上游】石墨烯是二维层状材料家族中的明星材料，其优异的机械、电学、光学、力学性质使其在光电、催化、传感器、透明导电薄膜、柔性电子器件、能源储存、防腐涂料、润滑、结构增强、武器装备、航天航空等领域展示出广阔的应用前景。据介绍，目前常用于制备石墨烯的方法有机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、化学还原氧化石墨烯以及电化学方法。
近日，西安交通大学先进储能电子材料与器件研究所徐友龙教授团队经过系统的筛选和优化，选用四丁基高氯酸铵/碳酸丙烯酯溶液为剥离电解液，并设计了金属网包裹天然石墨的三明治结构石墨电极，通过深入探究离子嵌入石墨产生剥离过程的机理，采用电化学和热膨胀剥离相结合的方法，实现了阴阳极同时制备高质量的石墨烯。
所谓电化学方法是在电场的作用下，通过阳极氧化或者阴极还原石墨电极，驱动电解液中的离子嵌入到石墨层中致使石墨结构发生膨胀、层间相互作用力减弱并随之产生剥离。与上述其他方法相比，电化学方法制备石墨烯具有设备简单、过程、环境相对友好、成本低廉、可控性强且制备周期短等优点，是一种有很大潜力的大规模生产石墨烯的方法。阳极氧化法容易在石墨烯上产生大量氧化缺陷，阴极还原剥离能避免含氧基团的生成，但制备的石墨烯产率并不高。目前学界对于电化学阳极、阴极剥离石墨开展了较多的探索研究，但迄今为止，使用电化学方法，尤其是阴阳双极同时剥离，仍然无法地制备高质量、高产率的石墨烯。
西安交大采用电化学和热膨胀剥离相结合的方法制备的石墨烯不仅产率高(阴极：85%和阳极：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)、电导率优异(>3×104 S/m)。另外在实验室条件下使用大尺寸石墨电极(Φ=20cm, 厚度5mm)生产石墨烯的速度可以达到25 g/h，为规模化制备高质量石墨烯奠定了基础。
上述研究成果以《电化学阴阳双极同步剥离石墨宏量制备高质量石墨烯》(Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene)为题发表在期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,影响因子IF: 15.621)。
其实，西安交大科研人员对于石墨烯的研究科学家们一直没有停下探索的脚步。此前，化工学院李明涛课题组设计开发了一种具有二维结构g-C3N4/石墨烯保护层的正极材料，获得了长循环寿命的锂硫电池。论文《一种二维层状g-C3N4/石墨烯复合型正极夹层增强锂硫电池循环性能研究》发表在期刊《可持续能源材料化学》(ChemSusChem)并入选为封面文章。西安交通大学新闻网
21世纪以来，能源与环境问题日益凸显，发展绿色、的新能源存储技术迫在眉睫。锂硫电池作为一种高比能二次电池，具有价格低廉、储备丰富、环境友好等特点，被誉为锂离子电池之后下一代动力电池体系的发展方向。锂硫电池中多硫化锂的“穿梭效应”是造成电池性能衰退的主要原因，阻碍其进一步实际应用。
西安交大此项研究创造性地设计了一种二维插层结构的g-C3N4/石墨烯夹层，如同在电池正负极之间构建了多层“防鲨网”，不仅能通过物理和化学双重作用阻挡多硫化物在正负极之间穿梭，还能加快Li+的扩散，从而大大提升电池的循环寿命。该研究对提升锂硫电池电化学性能及进一步实现产业化具有理论指导意义。
新兴产业的发展往往离不开国家在顶层设计层面的鼓励扶持。国家政策引导、规划加速，石墨烯产学研合作机制逐日完善。《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出“支持石墨烯新材料发展”；石墨烯领域国家层面纲领性文件《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》发布；《新材料产业发展指南》及《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等相继出台，将石墨烯产业摆在战略发展的重要位置。
(资料来源：科技日报，西安晚报，西安交通大学新闻网)
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