西安交大徐友龙团队：阴阳极同时开工！电化学剥层法宏量制备优质石墨烯

研究背景

石墨烯早已跃为二维层状材料家族中的明星材料，其优异的电学、光学、力学、输运性质使其有望在光电、催化、传感、储能等领域发挥出巨大的应用潜力。

目前，常用于制备石墨烯的方法有机械剥层法、液相剥层法、外延生长法、化学气相沉积法、化学还原氧化石墨烯等方法。但这些方法普遍存在产量低、产物尺寸小、生产成本高、对环境负担大等问题，阻碍了石墨烯的学术研究及产业化进程。

与上述方法相比，电化学剥离石墨电极制取石墨烯的方法具有操作简易、可在液相中操作、环境友好、成本低廉、产物易于控制等优势，有望成为大规模制备石墨烯的新途径。

电化学剥离石墨法可以分为两类，即既可以采用阴离子在阳极嵌入石墨电极的方法，也可以采用阴离子在阴极嵌入石墨电极的方法。无论采用哪种方法，石墨烯的产率、产量及产物质量都与石墨源、电解液和嵌入电位的选取息息相关。

以往的研究表明，用阳极氧化法剥离石墨电极的效率更高，但高电压下的副反应不可避免的向石墨烯中引入大量表面缺陷（主要为含氧基团），使产物质量较差。

而将石墨作为阴极，采用阳离子插层法则能避免含氧基团的生成。但这种方法的石墨烯产率并不高。因为石墨阴极与半径较大的阳离子相互作用，往往使石墨电极断裂，从而使石墨片脱离电极，造成物料损失。

因此，这两种方法都只能在一个电极上产生石墨烯，而无法充分利用对电极上发生的反应，由此造成的物料损失及电能浪费使电化学剥离石墨法的产率较低，难以走向实用化进程。

在此基础上，如果将石墨电极同时作为阴极和阳极，则有望在阴、阳极上同时产生石墨烯，提高能量利用效率及石墨烯产率。

然而，利用双电极进行电化学剥离石墨法的最大困难在于阴、阳离子及溶剂的选取。因此，对实验体系中的各组分进行系统筛选，是电化学剥离石墨法走向实际生产的必经之路。

成果速递

近日，西安交通大学的徐友龙教授（通讯作者）团队经过系统的筛选和优化，选用TBAClO₄/PC溶剂，并设计了用多孔金属网包覆石墨电极制成的三明治结构复合石墨电极，将其作为电解池的阴极和阳极，采用电化学剥层的方法，实现了优质石墨烯的宏量制备。

在电解过程中，TBA⁺和ClO₄^–分别嵌入阴极和阳极，形成石墨插层化合物。随后，石墨插层化合物经热分解产生石墨烯。

该方法的石墨烯产率高达85%（阴极）和48%（阳极）, 产生石墨烯的速率高达25 g/h。

该方法生产的石墨烯质量较高，其电导率高（＞3×10⁴S/m），缺陷含量低（I_D/I_G＜0.08），氧化程度低（C/O原子比＞18.4）。70%的石墨烯片层都只有1-3层，其横向尺寸为1-5 μm。

该方法制备的石墨烯能均匀分散在溶液中。将所得石墨烯以10 mg/mL的浓度分散在NMP中，用喷墨打印法能制备得到柔性导电的石墨烯薄膜。

该工作以“Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation ofGraphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene”为标题于2019年7月10日在线发表在Adv.Funct. Mater.上。