复旦大学高分子科学系在高质量石墨烯规模化水相制备方面取得新进展

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌课题组与新加坡国立大学化学系罗健平（LohKianPing）课题组合作，通过在石墨烯表面引入极少量（5.9atom%）可电离含氧官能团，实现了高质量石墨烯在水相中的高效率制备，对加速石墨烯大规模产业化应用起重要推动作用。相关成果以《利用非分散策略在水相中规模化制备高浓度石墨烯浆料》（ANon-DispersionStrategyforLarge-ScaleProductionofUltra-HighConcentrationGrapheneSlurriesinWater）为题于1月8日在线发表于《自然通讯》（NatureCommunications）。

石墨烯是现有材料中厚度最薄（0.335nm）、强度最高（断裂强度130GPa，是钢的100倍）、导热性最好（5300W/m.K，比金属银高10倍以上）、电子迁移率极高（106cm2/V.s，比硅高2个数量级）的新型二维材料，在智能装备、特种航天、能源储存和环境治理等诸多领域应用潜力巨大，是重要的战略新兴材料。然而，如何实现高质量石墨烯的高效率、规模化制备一直是制约其大规模应用的关键难题。理想的解决方案是从天然鳞片石墨出发，将其在液相中剥离成石墨烯。为避免石墨烯的不可逆聚集，液相剥离通常需要在特定溶剂中进行，而溶剂对石墨烯的分散能力则限制了剥离的效率，以至于液相剥离很难在高浓度下进行（典型情况下石墨烯含量通常小于1mg/mL，这意味着生产1kg石墨烯至少需要1吨的溶剂用量）。此外，石墨烯强烈的聚集倾向也使其难以存储、运输，为后续应用提出了挑战。

课题组研究人员采用一种非稳定分散的策略，实现了在极高浓度（50mg/mL）下的快速、高产率剥离，剥离产物90%以上为单层石墨烯，且晶格缺陷少、薄膜电导率甚至可达2.5104S/m。剥离过程中，由于表面双电层被压缩，石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀，后者即使浓缩至固含量为23wt%的滤饼室温储存一个月后，仍可再次分散于水溶液中形成均匀稳定的石墨烯悬浮液，从而有效解决了石墨烯规模化应用中的储存和运输问题。此外，该方法制备的石墨烯水相浆料表现出了良好的流变特性，可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶，从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。

复旦大学高分子科学系博士后董雷和新加坡国立大学化学系博士研究生陈仲欣为本文共同第一作者，复旦大学教授卢红斌和新加坡国立大学教授罗健平为共同通讯作者。复旦大学和新加坡国立大学分别为第一、二完成单位，研究工作得到973子课题、国家自然科学基金、上海市基础研究重点项目、新加坡国家研究基金的财政支持。