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西安交大在電化學雙電極大規模生産高質量石墨烯研究方面取得新進展

電化學方法是在電場的作用下,通過陽極氧化或者陰極還原石墨電極,驅動電解液中的離子嵌入到石墨層中緻使石墨結構發生膨脹、層間相互作用力減弱并随之産生剝離。與上述方法相比,電化學方法制備石墨烯具有設備簡單、過程高效、環境相對友好、成本低廉、可控性強且制備周期短等優點,是一種有很大潛力的大規模生産石墨烯的方法。陽極氧化法容易在石墨烯上産生大量氧化缺陷,陰極還原剝離能避免含氧基團的生成,但制備的石墨烯産率并不高。目前學界對于電化學陽極、陰極剝離石墨開展了較多的探索研究,但迄今為止,使用電化學方法,尤其是陰陽雙極同時剝離,仍然無法高效地制備高質量、高産率的石墨烯。

近日,西安交通大學先進儲能電子材料與器件研究所徐友龍教授團隊經過系統的篩選和優化,選用四丁基高氯酸铵/碳酸丙烯酯溶液為剝離電解液,并設計了金屬網包裹天然石墨的三明治結構石墨電極,通過深入探究離子嵌入石墨産生剝離過程的機理,采用電化學和熱膨脹剝離相結合的方法,實現了陰陽極同時制備高質量的石墨烯。該方法制備的石墨烯不僅産率高(陰極:85%和陽極: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)、電導率優異(>3×104 S/m)。另外在實驗室條件下使用大尺寸石墨電極(Φ=20cm, 厚度5mm)生産石墨烯的速度可以達到25 g/h,為規模化制備高質量石墨烯奠定了基礎。

上述研究成果以《電化學陰陽雙極同步剝離石墨宏量制備高質量石墨烯》(Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene)為題發表在國際頂級期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials,影響因子IF: 15.621)。西安交通大學先進儲能電子材料與器件研究所博士生張淵為本文第一作者,徐友龍教授為本文通訊作者。西安交通大學是本論文的唯一署名單位,标志着西安交大在電化學法制備高質量石墨烯研究方面取得新進展。該工作得到陝西省重大研發計劃、“111引智計劃”(B14040)的資助以及西安交大分析測試中心的支持。

徐友龍教授長期緻力于新型電解電容器、超級電容器、锂/鈉離子電池材料與器件、納米材料的制備與應用等領域的研究。以第一作者或通訊作者在國際著名期刊發表學術論文150多篇,其中三篇入選全球前1%“ESI”高引論文。

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