氧化石墨

氧化石墨烯（GO）是印刷電子、催化、儲能、分離膜、生物醫(yī)學(xué)和復(fù)合材料的理想材料。但是現(xiàn)在合成GO的主流方法還是用石墨和復(fù)合氧化劑混合反應(yīng)得到氧化石墨，然后將其剝離得到GO。此反應(yīng)時間通常長達幾百小時，會引入金屬離子雜質(zhì)，且有爆炸的危險，還會引起環(huán)境污染，這大大制約了GO的工業(yè)化生產(chǎn)。我們亟需一種高產(chǎn)、安全、環(huán)境友好型的合成方法。

沈陽材料科學(xué)國家研究中心的任文才和成會明研究員設(shè)計出一種電解水氧化的GO制備方法:首先在濃硫酸中用硫酸分子插層石墨，以此抑制后續(xù)電解水過程中的氧氣析出，而只產(chǎn)生高活性的氧自由基。第二步則是在稀硫酸中將插層石墨電化學(xué)氧化，研究發(fā)現(xiàn)該過程中硫酸的濃度可以控制GO的氧化程度。值得注意的是，硫酸在整個過程中只是一種控制劑（沒有被消耗，可重復(fù)利用），而非氧化劑，可以實現(xiàn)GO生產(chǎn)的宏觀調(diào)控。同時，同位素示蹤法也明確證實GO的含氧官能團來自于水。XPS、紅外等表征結(jié)果說明此法與傳統(tǒng)方法的產(chǎn)物官能團幾乎一樣，而ICP表征則證明了產(chǎn)物中沒有金屬離子雜質(zhì)。

快速、綠色、安全地制備氧化石墨烯

水電解氧化法制備GO的速度比傳統(tǒng)方法快100余倍，且不使用強氧化劑，有效解決了氧化石墨烯制備過程中污染嚴(yán)重、有爆炸風(fēng)險等問題，大幅降低成本，有望工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。這使得這份工作成功發(fā)表在Nat. Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-017-02479-z

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圖1：氧化石墨烯

首先我們來了解一下什么是鋰金屬電池和鋰離子電池。

鋰金屬電池

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、（研究實驗中一般用銅作正極，為了表征方便）金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

鋰離子電池

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降目沙潆婁囯姵匾话阒傅氖卿囯x子電池。

鋰金屬電池的充電量是鋰離子電池的10倍，但由于鋰在充電和放電時在電極上不均勻地沉積。這種沉積會使這些電池的壽命縮短，更重要的是會導(dǎo)致電池短路并起火，這是鋰金屬電池不能用于商業(yè)化的根本原因。

最近芝加哥伊利諾伊大學(xué)的研究人員提出了解決鋰金屬電池商業(yè)化的辦法。研究人員提出一種可能的解決方案：將具有氧化石墨烯涂層的納米片放置在電池電極之間，從而防止金屬鋰不均勻的堆積，這樣可以使電池安全的循環(huán)放電達到數(shù)百次?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果表明，在這種情況下，二維材料—氧化石墨烯可以幫助調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積，延長鋰金屬電池的壽命?！盪IC工程學(xué)院的副教授Reza Shahbazian-Yassar說。

圖2：新型鋰金屬電池基本結(jié)構(gòu)

在鋰離子電池中，通常用多孔聚合物或玻璃陶瓷纖維制成的隔膜置于電解液中。該分離器允許鋰離子經(jīng)過，同時防止其他成分堵塞，這樣可以避免由于電短路引起的火災(zāi)。研究人員在鋰金屬電池中使用了一種改進的隔膜來調(diào)節(jié)鋰離子的流動，控制鋰沉積速率，以防止形成樹突。他們將氧化石墨烯噴涂在玻璃纖維隔板上，制成納米片。

通過各種成像技術(shù)顯示，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米片用于鋰金屬電池時，鋰電極的表面可以形成均勻的鋰薄膜。

圖3：兩種鋰金屬電池正極表面的SEM像

圖中左側(cè)是傳統(tǒng)的鋰金屬電池銅電極在1 mA·cm?2循環(huán)120次后的掃描電鏡圖像，可以看出沉積不均勻且有鋰枝晶形成；而右側(cè)是加了氧化石墨烯隔膜的銅電極在1 mA·cm?2循環(huán)160次后的掃描電鏡圖像，電極表面明顯更均勻更光滑。

圖4：利用光學(xué)成像技術(shù)顯示就更加清晰直觀

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