如何使单层石墨烯在水中分散均匀？

通常石墨烯与水不能很好的混合，当石墨烯在水中时，会出现“悬键”（水分子的氢原子会指向石墨烯表面），并且石墨烯附近的水分子不能形成3个以上的氢键，而纯水中平均每个水分子有3.6个氢键。因此石墨烯及非极性碳氢化物会破坏水中的氢键从而引起疏水相互作用，从而导致石墨烯在水中难以溶解。另外石墨烯促进溶解在水中的纳米气泡在石墨烯表面形核，这也会加剧石墨烯的团聚和沉淀。石墨插入化合物可以在质子惰性溶剂中被剥离为单层石墨烯，从而产出热力学稳定的负电石墨烯（graphenide）溶液。负电石墨烯是一种强还原剂，而有机溶剂对空气和水分很敏感。近期George等人（DOI:10.1038/NCHEM.2669）实现了单层石墨烯层片均匀分布在除去气体的水中，这种石墨烯水溶液在空气中稳定，并且不需要添加表面活性剂。

在惰性气氛中将石墨钾溶解于四氢呋喃THF中形成单层负电石墨烯聚离子，随后通过暴露在空气中在THF内将负电石墨烯离子氧化为石墨烯，然后迅速转移到脱气的水中，在空气中暴露的过程形成过氧化物阳离子和中性石墨烯。在正常的实验条件下，溶于水中的气体吸附在石墨烯表面导致分散的个体之间产生长程吸引力，从而促进团聚。相反的如果对水进行脱气处理，水离子已经吸附在石墨烯的表面了，这种吸附使得分散的石墨烯层片带有一定的电荷，静电排斥作用可以使石墨烯片的分散状态保持稳定。总的来说，在脱气的水中，因为石墨烯片之间的弥散的吸引力很小和静电排斥稳定性，石墨烯在脱气水中的再聚集会急剧减慢。由于负电石墨烯氧化和水分解作用使得OH--离子自发吸附在石墨烯表面，石墨烯在水中带电。当两片石墨烯相遇时会产生排斥作用。因此石墨烯可以有效的分散在水中，浓度达到0.16g/L，并且可以稳定存放几个月的时间。