廈大 J. Am. Chem. Soc.：光協同電化學合成高性能氧化石墨烯

【背景介紹】

氧化石墨烯（GO）作為一種功能化的二維（2D）材料，不僅在邊緣處具有羧基，而且在基面上還具有羥基和羰基，因而在各種溶劑中具有良好的分散性。而且，GO不僅可以通過化學鍵進行功能化，而且可以通過靜電作用、范德華力和氫鍵進行組裝，使之在能源和環境的可持續發展領域成為一種極具競爭力的2D材料。通常GO是通過Hummers方法（CGO）制備的，其中石墨與強氧化劑（MnO₄^-、FeO₄^2-、H₂O₂等）在強酸環境中（濃H₂SO₄和HNO₃）中反應。然而，這種制備方法很難控制GO的尺寸、層數和結晶度。此外，必須使用大量的水來去除有害的殘留化學物質并獲得清潔的CGO。對比Hummers方法，電化學剝落石墨制備的石墨烯（EGO），其氧化程度偏低，但工藝簡便，綠色環保。

【成果簡介】

針對上述問題，近日廈門大學詹東平教授和李劍鋒教授等提出了一種光/電化學協同的自由基氧化反應的策略，可在電解剝離石墨的同時，提高EGO的氧化度和結晶度。采用草酸根陰離子（OA^-）作為嵌入離子和共反應物，通過電生羥基自由基（OH?）和OA^-的隨后化學轉化過程，有效提高OH?的界面濃度并將其約束在石墨-石墨烯/溶液界面，不僅使EGO的其氧化度提升到與CGO相當的程度，而且使EGO的層數減少，尺寸增大，結晶度提高。此外，通過π-π堆疊作用制備的苯胺/EGO共組裝膜，不僅增大了GO片層的層間距，而且提供了水分子輸運的“氫鍵”通道，提高水分子的通量；同時，隨著過濾的進行，GO片層間內部離子強度增大，靜電排斥力增強，從而提高了離子的截留率，在海水淡化和水凈化方面具有廣闊的應用前景。總之，該工作為石墨烯為電化學剝落過程中的直接功能化和功能化石墨烯組裝提供了一種新方法，研究成果以題為“Photosynergetic Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide”發表在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

圖一、EGO的形貌表征
（a）制備的EGO的SEM；

（b）制備的EGO的TEM，插圖為選擇區電子衍射譜；

（c）由SEM確定的統計橫向尺寸分布；

（d）一個單層EGO的AFM圖像；

（e）通過原子力顯微鏡測量獲得的EGO的統計層分析。

圖二、通過SERS和FTIR分析比較EGO和CGO
（a）EGO和CGO的SERS圖；

（b）EGO和CGO的FTIR圖。

圖三、EGO和CGO的XPS和熱重分析
（a）CGO的XPS光譜（曲線a）、有光照的EGO（曲線b）和無光照的EGO（曲線c）；

（b）有光照的EGO的C1s光譜；

（c）有光照的EGO和CGO的熱重分析。

圖四、EGO的光協同電化學合成機理示意圖

圖五、EGO膜的表征和脫鹽性能測試
（a）石墨、EGO和CGO的XRD光譜；

（b）EGO和苯胺共組裝EGO膜（MEGO）的XRD光譜；

（c）MEGO的N1s光譜；

（d）MEGO膜對Na⁺，K⁺和M²⁺的截留率。

【小結】

本文提出了一種光/電化學協同合成EGO的方法，采用OA^-作為嵌入離子和共反應物，提高OH?的有效界面濃度，進而提高EGO的氧化度和結晶度。作者還采用苯胺分子誘導EGO自組裝，增大EGO膜的層間距離，并利用氫鍵相互作用提高水的滲透通量和靜電排斥作用阻礙離子滲透，實現高效脫鹽，在海水淡化和水凈化方面具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Photosynergetic Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide（J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI:10.1021/jacs.0c02158）

作者/團隊簡介

廈門大學青年電化學之家是由一批年富力強的青年教師組成的科研群體，旨在充分發揮各自專長，協同攻關基礎電化學的關鍵科學問題，建立相關電化學研究范式。近年來，針對電解剝離石墨制備石墨烯的電極過程，詹東平教授和李劍鋒教授團隊合作，提出程序電解方法，調控離子插層、片層裁剪和產物分散等基本過程之間的偶聯關系，提高了單層石墨烯的尺寸、結晶度和產率，并在電解過程中同步實現了石墨烯的功能化。

本文由CQR編譯。

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