2022年6月24日，学术期刊Nanotechnology在线发表了中钢南京研究院陈杰团队题为“Preparation of multi-function graphene materials through electrode-distance controlled electrochemical exfoliation”的研究成果。该团队发现，在电化学剥离石墨烯的过程中，通过改变电极间的距离，可以在相同电解液的条件下，获得不同尺寸以及氧化度的高品质石墨烯片。随着电极距离的不断增大，得到的石墨烯的片径可由5μm左右持续下降，最后可以得到尺寸仅有5nm左右的氧化石墨烯量子点。并在此基础上，进行了相关应用的初步探究。本工艺已成功放大，目前实现了140~2000g/h的多功能石墨烯量子点、氧化石墨烯、石墨烯片的批量化生产。这一发现提供了一种控制石墨烯尺寸以及氧化度的方案，为电化学石墨烯的应用开拓了新的可能。
图一 距离调控的石墨烯及其衍生物制备
一直以来，石墨烯的制备工艺都是石墨烯应用发展的重要问题，而电化学法剥离石墨烯由于其高品质、绿色环保、低成本以及氧化度可控等优势，是继氧化还原法、液相剥离法等方法之后，未来最具发展潜力的石墨烯制备工艺之一。目前，电化学方法实现石墨烯氧化度的调控主要依赖于改变电解液、调控电压电流等。往往确定电解液体系之后，石墨烯的相对氧化度就已经固定在一个相对较小的范围之内，而电压电流的调控对石墨烯氧化度的影响也相对有限。电化学过程中，电极的距离对最终产物的影响，一直以来都被研究人员所忽视。
本工作深入探究了电极距离对石墨烯在电化学剥离过程中的影响，与传统的固定电极位置的电解相比，改变电极间距可以有效地调节电解液中的插层离子的进入石墨片电极的速度与方向，进而改变整个剥落过程的动力学速率。
具体说来，当电极距离保持在3 cm的短电极距离处，可以生产出尺寸在5 μm以上、厚度在5层以下的优质高品质石墨烯片（EGr）；当电极间距增加到30 cm，制备出粒径小于5 nm的石墨烯量子点（EGQD）。而当电极距离在3~30cm变化时，则可以获得介于EGr和EGQD之间的高品质氧化石墨烯（EGO）。此外还发现，通过控制反应温度、反应电压和优化电解液可以进一步优化电化学剥离过程，从而达到大约140、1500及2000克/小时的EGQD、EGO及EGr准备，该工艺得到的石墨烯及衍生材料可在各个领域产生潜在的应用。
图二 石墨烯、石墨烯量子点以及氧化石墨烯表征
之后，研究团队针对该工艺制备的可调控石墨烯衍生物进行了应用探索。发现：低氧化度的EGr可以作为导电填料添加至通PVDF，从而大幅度的提升PVDF薄膜的介电常数；小尺寸的EGQD表现为本征发光的材料，可作为无毒无害的生物成像材料；而优化后的EGO结合了力学和电学优点，可自组装为高强度、低电阻的石墨烯膜。这些初步的实验表明，通过修改距离可以用来制备不同的石墨烯衍生物，有望在相关领域实现应用。
图三 电化学剥离石墨烯应用研究
该研究为石墨烯以及衍生物的规模化制备提供了参考，深化了研究人员对电化学法制备石墨烯的认识与思考。该工作一方面提醒人们在石墨烯制备过程中，一些难以察觉的参数往往会对实验结果产生较大的影响。另一方面通过距离的调控的电化学手段，也能作为一种对石墨烯功能化方法，从而帮助人们获得更多性能更为多样的石墨烯材料以及衍生物。
相关论文信息：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ac7730
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