捷克科学院物理研究所Jiří Červenka等–用于高导电石墨烯气凝胶的氧化石墨烯中逆转老化和缺陷的通用策略

从氧化石墨烯前体生产高度稳定、无缺陷和导电的3D石墨烯结构具有挑战性。这是因为氧化石墨烯是一种亚稳态材料，其结构和化学性质因老化而演变。老化改变了附着在氧化石墨烯上的氧官能团的相对组成，并对还原氧化石墨烯的制造和性能产生负面影响。在这里，我们报道了一种使用氧等离子体处理逆转氧化石墨烯前体老化的通用策略。这种处理降低了氧化石墨烯薄片的尺寸，并恢复了负ζ电位和水中悬浮液的稳定性，从而能够使用水热合成制备紧凑且机械稳定的石墨烯气凝胶。此外，我们采用高温退火来去除还原氧化石墨烯中的含氧官能团并修复晶格缺陷。该方法允许获得具有390S/m的电导率和低缺陷密度的高导电石墨烯气凝胶。使用X射线光电子和拉曼光谱对羧基、羟基、环氧化物和酮氧物种的作用进行了彻底的研究。我们的研究为氧化石墨烯从室温到2700°C的老化和热还原过程中发生的化学转变提供了独特的见解。

图1.以GO、aGO和pGO为起始材料，通过水热合成获得的石墨烯水凝胶的制造工艺示意图和实际照片。

图2:（a） GO、aGO和pGO的拉曼光谱、（b）FTIR和XPS（c）C1s和（d）O1s光谱（GO：新的氧化石墨烯；aGO：老化的氧化石墨；pGO：等离子体处理的老化氧化石墨烯）。

图3.GO、aGO和pGO悬浮液在水中的性质。（a） 7天后GO、aGO和pGO水溶液的照片。（b） 混合后aGO溶液的尺寸分布。（c）新鲜悬浮液和（d）7天龄悬浮液的Zeta电位。

图4.（a） 石墨烯气凝胶的SEM和光学图像，以及（b）高温退火引起的化学变化示意图，高温退火导致氧官能团和结构缺陷的去除以及共价交联。（c） 石墨烯气凝胶的电导率作为退火温度的函数，使用四探针方法。（d） 不同温度退火GA的拉曼光谱。（e） I_D/I_G比和作为退火温度的函数的晶粒尺寸分析。（f） 缺陷密度和G峰的FWHM作为退火温度的函数。

图5. 还原氧化石墨烯气凝胶的XPS分析作为退火温度的函数。（a） 不同温度退火GA的C1s和（b）O1s光谱。退火GA样品中（c）sp²和sp³碳和（d）不同氧物种的浓度。sp³碳包括结构基团和官能团。

相关研究成果由捷克科学院物理研究所Jiří Červenka等人2023年发表在The Journal of Physical Chemistry C (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c01534)上。原文：Universal Strategy for Reversing Aging and Defects in Graphene Oxide for Highly Conductive Graphene Aerogels。