氧化石墨烯（GO）是印刷電子、催化、儲能、分離膜、生物醫(yī)學和復合材料的理想材料。但是現(xiàn)在合成GO的主流方法還是用石墨和復合氧化劑混合反應得到氧化石墨，然后將其剝離得到GO。此反應時間通常長達幾百小時，會引入金屬離子雜質，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。我們亟需一種高產、安全、環(huán)境友好型的合成方法。

沈陽材料科學國家研究中心的任文才和成會明研究員設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，可重復利用），而非氧化劑，可以實現(xiàn)GO生產的宏觀調控。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、紅外等表征結果說明此法與傳統(tǒng)方法的產物官能團幾乎一樣，而ICP表征則證明了產物中沒有金屬離子雜質。

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重、有爆炸風險等問題，大幅降低成本，有望工業(yè)化生產應用。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、使用非水電解質的電池?，F(xiàn)在我們日常生活中用到的可充電鋰電池一般指的是鋰離子電池。

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果表明，在這種情況下，二維材料—氧化石墨烯可以幫助調節(jié)金屬鋰的沉積，延長鋰金屬電池的壽命?！盪IC工程學院的副教授Reza Shahbazian-Yassar說。

圖2：新型鋰金屬電池基本結構

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。研究人員在鋰金屬電池中使用了一種改進的隔膜來調節(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。

通過各種成像技術顯示，研究人員發(fā)現(xiàn)，當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：利用光學成像技術顯示就更加清晰直觀

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