Science：微波還原法1秒制備高質量石墨烯！

【引語】

單層石墨烯低產率、厚度為亞微粒子級以及較差的電學性能使得溶液剝離石墨烯片制備工藝仍然存在巨大挑戰。采用氧化石墨烯進行剝離可以獲得具有較大橫向尺寸的單層氧化石墨烯，產率接100%，盡管該項研究完成了大量工作，但對于完全去除含氧官能團仍然不能實現，所以得到的還原性氧化石墨烯具有高度無序性，致使其物理化學性質遜于采用化學氣相沉積（CVD）制備的材料。還原氧化石墨烯一直被認為在催化、能源領域具有應用前景，甚至其無序態的還原氧化石墨烯仍然具有很大的利用價值。對于如何高效還原氧化石墨烯是目前亟待解決的問題。

【成果簡介】

日前，來自美國羅格斯大學的Manish Chhowalla教授（通訊作者）等在Science上發表論文，報道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質量石墨烯。該方法制備得到的石墨烯材料作為場效應晶體管中的通道材料可以實現電子遷移率大于 1000m2/V/s，并且作為催化劑載體材料表現出優異的析氧催化性能。

研究人員采用了改進型hummers方法去氧化石墨烯，并在水溶液中使其溶解成多層氧化石墨烯片。該穩定的氧化石墨烯陣列分散溶液可以在水溶液中重組成不同的形式（例如薄膜狀、紙片狀、纖維狀）。合成得到的氧化性石墨烯前驅物由于其內部和碳原子共價鍵相連的含氧功能團使得材料為絕緣性的。將具有側面厚度達到幾十微米的氧化性石墨烯置于傳統的微波爐中，在1000 W 下加熱1-2s 實現氧化石墨烯的還原。氧化石墨烯在微波條件下激發在先前文獻已有報道，但是還原效率仍然很低。研究人員首先將材料置于微波下進行預退火，這樣可以使得材料具有導電性，以便來吸收微波，從而實現對氧化性石墨烯的快速加熱，最后該微波加熱過程可以實現氧化性功能團的脫附，并使得材料表面基面的有序化。

【圖文導讀】

圖1. 與完整的單一氧化石墨烯、還原性氧化石墨烯和CVD生長的石墨烯相比較，微波輔助還原氧化石墨烯的物理性能的表征結果。

（A）沉積在硅襯底的單層氧化石墨烯片的掃描電鏡圖，氧化石墨烯的納米陣列具有50um的側面維度。

（B）與完整的氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及CVD生長的石墨烯相比，微波輔助還原氧化石墨烯的C1s處高分辨X射線光電子譜，每個譜都可以去卷積用來定量測量O的含量。

（C）微波輔助還原氧化性石墨烯以及其它石墨烯基樣品的拉曼光譜圖。該圖譜和CVD生長的石墨烯拉曼光譜圖一致，出現了對稱的2D帶和最小的D帶，尖銳的拉曼峰表明了微波輔助還原氧化性石墨烯具有較高的結晶性和微波輔助還原性。

（D）I_2D／I_G與晶體尺寸的關系圖。微波輔助還原氧化石墨烯的晶體尺寸以及I_2D／I_G均接近其它方法制備得到的樣品，但是明顯高于還原性氧化石墨烯和分散性的石墨烯材料。

圖2. 微波輔助法制備的還原性氧化石墨烯陣列的高分辨率透射電鏡圖

（A）具有高缺陷密度（孔：紅色箭頭所指區域；氧功能團：藍色箭頭所指區域）的單層還原性氧化石墨烯的高分辨率透射電鏡圖。

（B）雙層微波輔助還原氧化石墨烯高分辨率透射電鏡圖。

（C）三層微波輔助還原氧化石墨烯的高分辨率透射電鏡圖，其透射電鏡圖表明其組織結構的高度有序性，參考長度為1nm。

圖3. 微波輔助還原氧化石墨烯的電學和電催化性能的表征結果圖

（A）微波輔助還原氧化石墨烯在V_ds＝50mV下的轉移特性圖，該材料具有在狄拉克錐體V_g＝0.5V處的雙極性；插圖：微波輔助還原氧化石墨烯的導電性隨著載流子密度變化圖。

（B）沉積在微波輔助還原氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物的極化曲線。

（C）沉積在微波輔助還原氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物的塔菲爾曲線，結果發現由于微波輔助法制備的還原氧化石墨烯陣列具有較高的導電率，沉積在微波輔助還原氧化石墨烯上的Ni-Fe層狀氫氧化物具有最低的電荷轉移電阻率。

（D）在15h，10mA／cm²的電流密度條件下，沉積在微波輔助還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物恒電流法測試結果。結果發現以微波輔助法還原氧化性石墨烯為襯底的材料具有最佳的超電勢交換穩定性。相反，在玻璃化碳襯底上的材料其穩定性迅速下降。

文獻鏈接：High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide ( Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah3398)

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