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  近日, 復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧紅斌課題組與新加坡國立大學(xué)化學(xué)系羅健平（Loh Kian Ping）課題組合作，通過在石墨烯表面引入少量可電離含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了高濃度石墨烯（50 mg/mL）在水相中的高效率制備。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。

  石墨烯是現(xiàn)有材料中厚度最�。�0.335 nm）、強(qiáng)度最高（斷裂強(qiáng)度130 GPa，是鋼的100倍）、導(dǎo)熱性最好（5300 W/m.K，比金屬銀高10倍以上）、電子遷移率極高（106 cm2/V·s，比硅高2個(gè)數(shù)量級(jí)）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)石墨烯的高效率、規(guī)模化制備一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題。理想的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。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，而溶劑對石墨烯的分散能力則限制了剝離的效率，以至于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1 mg/mL，這意味著生產(chǎn)1 kg石墨烯至少需要1噸的溶劑用量）。此外，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)用提出了挑戰(zhàn)。

圖1：傳統(tǒng)液相剝離方法(a)和非分散策略(b)制備石墨烯的流程示意圖；不同方法在制備濃度、產(chǎn)率和產(chǎn)量方面的比較。

  課題組研究人員采用一種非穩(wěn)定分散的策略，實(shí)現(xiàn)了在高濃度（50 mg/mL）下的高產(chǎn)率剝離，AFM統(tǒng)計(jì)剝離產(chǎn)物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少、薄膜電導(dǎo)率甚至可達(dá)2.5′104 S/m。在pH 14的水溶液中剝離時(shí)，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至固含量為23 wt%的濾餅室溫儲(chǔ)存一月后，仍可再次分散于形成均勻穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，從而有效解決了石墨烯規(guī)模化應(yīng)用中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。

圖2：制備的石墨烯在不同pH水溶液中的分散穩(wěn)定性。

圖3：制備的石墨烯在不同pH水溶液中的穩(wěn)定示意圖。

  此外，該方法制備的石墨烯水相漿料表現(xiàn)出了良好的流變特性，可直接通過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)用開辟了新途徑。

圖4：高濃度石墨烯絮凝漿料的流變性能(a)；3D打印石墨烯漿料照片(b-d)和掃描電鏡圖片(e)；凍干后石墨烯氣凝膠的機(jī)械(f)、電導(dǎo)(g)以及石墨烯-聚合物復(fù)合物性能(h)。

  復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士后董雷和新加坡國立大學(xué)化學(xué)系博士研究生陳仲欣為本文共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)教授盧紅斌和新加坡國立大學(xué)教授羅建平為共同通訊作者。復(fù)旦大學(xué)和新加坡國立大學(xué)分別為第一、二完成單位，研究工作得到973子課題、國家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、新加坡國家研究基金的財(cái)政支持。文章鏈接：A Non-Dispersion Strategy for Large-Scale Production of Ultra-High Concentration Graphene Slurries in Water. Nature Communications 2018, 9: 76. https://www.nature.com/articles/s41467-017-02580-3.