厦大 J. Am. Chem. Soc.：光协同电化学合成高性能氧化石墨烯

【背景介绍】

氧化石墨烯（GO）作为一种功能化的二维（2D）材料，不仅在边缘处具有羧基，而且在基面上还具有羟基和羰基，因而在各种溶剂中具有良好的分散性。而且，GO不仅可以通过化学键进行功能化，而且可以通过静电作用、范德华力和氢键进行组装，使之在能源和环境的可持续发展领域成为一种极具竞争力的2D材料。通常GO是通过Hummers方法（CGO）制备的，其中石墨与强氧化剂（MnO₄^-、FeO₄^2-、H₂O₂等）在强酸环境中（浓H₂SO₄和HNO₃）中反应。然而，这种制备方法很难控制GO的尺寸、层数和结晶度。此外，必须使用大量的水来去除有害的残留化学物质并获得清洁的CGO。对比Hummers方法，电化学剥落石墨制备的石墨烯（EGO），其氧化程度偏低，但工艺简便，绿色环保。

【成果简介】

针对上述问题，近日厦门大学詹东平教授和李剑锋教授等提出了一种光/电化学协同的自由基氧化反应的策略，可在电解剥离石墨的同时，提高EGO的氧化度和结晶度。采用草酸根阴离子（OA^-）作为嵌入离子和共反应物，通过电生羟基自由基（OH•）和OA^-的随后化学转化过程，有效提高OH•的界面浓度并将其约束在石墨-石墨烯/溶液界面，不仅使EGO的其氧化度提升到与CGO相当的程度，而且使EGO的层数减少，尺寸增大，结晶度提高。此外，通过π-π堆叠作用制备的苯胺/EGO共组装膜，不仅增大了GO片层的层间距，而且提供了水分子输运的“氢键”通道，提高水分子的通量；同时，随着过滤的进行，GO片层间内部离子强度增大，静电排斥力增强，从而提高了离子的截留率，在海水淡化和水净化方面具有广阔的应用前景。总之，该工作为石墨烯为电化学剥落过程中的直接功能化和功能化石墨烯组装提供了一种新方法，研究成果以题为“Photosynergetic Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide”发表在著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

图一、EGO的形貌表征
（a）制备的EGO的SEM；

（b）制备的EGO的TEM，插图为选择区电子衍射谱；

（c）由SEM确定的统计横向尺寸分布；

（d）一个单层EGO的AFM图像；

（e）通过原子力显微镜测量获得的EGO的统计层分析。

图二、通过SERS和FTIR分析比较EGO和CGO
（a）EGO和CGO的SERS图；

（b）EGO和CGO的FTIR图。

图三、EGO和CGO的XPS和热重分析
（a）CGO的XPS光谱（曲线a）、有光照的EGO（曲线b）和无光照的EGO（曲线c）；

（b）有光照的EGO的C1s光谱；

（c）有光照的EGO和CGO的热重分析。

图四、EGO的光协同电化学合成机理示意图

图五、EGO膜的表征和脱盐性能测试
（a）石墨、EGO和CGO的XRD光谱；

（b）EGO和苯胺共组装EGO膜（MEGO）的XRD光谱；

（c）MEGO的N1s光谱；

（d）MEGO膜对Na⁺，K⁺和M²⁺的截留率。

【小结】

本文提出了一种光/电化学协同合成EGO的方法，采用OA^-作为嵌入离子和共反应物，提高OH•的有效界面浓度，进而提高EGO的氧化度和结晶度。作者还采用苯胺分子诱导EGO自组装，增大EGO膜的层间距离，并利用氢键相互作用提高水的渗透通量和静电排斥作用阻碍离子渗透，实现高效脱盐，在海水淡化和水净化方面具有广阔的应用前景。

文献链接：Photosynergetic Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide（J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI:10.1021/jacs.0c02158）

作者/团队简介

厦门大学青年电化学之家是由一批年富力强的青年教师组成的科研群体，旨在充分发挥各自专长，协同攻关基础电化学的关键科学问题，建立相关电化学研究范式。近年来，针对电解剥离石墨制备石墨烯的电极过程，詹东平教授和李剑锋教授团队合作，提出程序电解方法，调控离子插层、片层裁剪和产物分散等基本过程之间的偶联关系，提高了单层石墨烯的尺寸、结晶度和产率，并在电解过程中同步实现了石墨烯的功能化。

本文由CQR编译。

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