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新聞公告
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我所博士畢業生曹建云在”氧化石墨烯低成本宏量制備”方面獲重要突破
發布人:王亞明  發布時間:2018-01-30   瀏覽次數:505


我所博士畢業生曹建云在英國曼徹斯特大學、Ian Kinloch教授課題組從事博士后研究期間,對石墨的電化學插層氧化進行了系統研究,進而提出一種兩步電化學插層-氧化制備氧化石墨烯的新方法,與傳統的化學氧化法相比,該方法具有低成本,可宏量化的優點。該成果近期以長文(Full article)的形式發表于《美國化學學會會志》Journal of the American Chemical Society)。全文鏈接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b08515

氧化石墨烯為氧官能團修飾的單層石墨烯,由于表面具有大量含氧官能團,使其具有區別于石墨烯(pristine graphene)的獨特物理化學性質,如優異的溶液分散性和液相可加工性。而且,氧化石墨烯表面的含氧官能團可通過化學、光、熱等多種手段還原去除,所獲得的還原氧化石墨烯具有接近石墨烯的優異物理化學特性,因此近年來被廣泛應用于電化學能源存儲于轉換、納米復合材料、印刷電子,膜科學技術等諸多領域。

目前,氧化石墨烯主要由化學氧化天然鱗片石墨獲得,包括Brodie, Staudenmaierhummer法,氧化過程均涉及到強酸與強氧化劑的使用,導致該化學氧化過程會造成嚴重的環境污染且具有安全隱患(爆炸)。此外,高錳酸鉀等強氧化劑的使用不僅使后期去除錳離子的過程異常復雜,而且還在石墨烯內引入了無法修復的孔缺陷。

電化學氧化是通過帶正電的石墨烯片層(1階或2階的陰離子插層石墨)與親核的水分子反應來實現氧官能團修飾。由于插層和氧化兩個步驟對電解液中水含量的要求不同,之前報導的單步電化學氧化受制于氧化周期長(濃酸中易實現石墨的低階插層,但水含量低導致氧化緩慢),或氧化不充分(低濃度電解液中無法獲得低階的陰離子插層石墨)。

近期,我所博士畢業生曹建云在英國曼徹斯特大學從事博士后研究,提出了兩步電化學插層-氧化法、解決了電化學氧化過程中的水含量問題。首先在>95%的濃硫酸中對石墨進行電化學插層,獲得1階硫酸插層石墨,然后在低濃度(0.1 M)的硫酸銨水溶液中對1階硫酸插層石墨進行電化學氧化。該方法具有反應周期短(< 30 min),氧化石墨烯產率高(>70 wt.%)等優點。此外,該方法獲得電化學氧化石墨烯具有較少的羰基和羧基官能團,還原之后氧含量極低(3.2 at%, C/O = 30.2),電導率高達54600 S m?1。

同期,沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部提出了一種電解水氧化的方法(http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/201801/t20180111_4932041.html),該方法首先在濃硫酸中將石墨插層,然后在稀硫酸中對插層石墨進行氧化。該工作中,科研人員通過氧同位素示蹤和自由基捕獲實驗,直接證明了氧化石墨烯中的氧元素主要來源于電解液中的水。該成果于110日在線發表于《自然?通訊》Nature Communications)。

曹建云于20092015年在我所王亞明教授的指導下先后獲得碩士和博士學位,畢業后赴英國曼徹斯特大學大學材料學院-國家石墨烯中心(National Graphene Institute)從事博士后研究,研究方向為電化學插層解離宏量制備石墨烯與氧化石墨烯。

  

電化學插層解離宏量制備氧化石墨烯


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