马萨里克大学《Carbon》：一种快速、可扩展、环保的独立超薄还原氧化石墨烯纸生产方法

成果简介

目前，人们亟需能够替代当前技术中使用的材料的材料，主要是改善制造的性能和生态影响。石墨烯基材料就是这样一种替代材料，主要是氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）。本文，马萨里克大学František Zelenák、Richard Krumpolec等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Fast, scalable, and environmentally friendly method for production of stand-alone ultrathin reduced graphene oxide paper”的论文，研究提出了一种可扩展、快速、安全且环保的方法来制备导电率达到 435 S/m的rGO薄纸（5μm）。

这些rGO纸是通过还原在自制真空室中制备的 GO 薄纸，并应用 GO 分散液的喷涂循环来实现精确和高度可控的沉积过程。利用扩散共面阻挡放电（DCSBD）等离子源产生的大气等离子体进行快速的 GO 还原-剥离（大约几秒钟），制备出高密度的 rGO 纸。制备好的 rGO 纸再通过冷轧压机后处理成均匀的导电自立纯 rGO 纸，从而制备出更精确的样品，并提高其机械和电气性能。用SEM和AFM研究了GO和rGO纸的形貌，用XPS技术分析了等离子体还原前后的化学变化，用四点探针法分析了所制备的纸的电学参数，并用拉曼光谱和XRD方法分析了GO和rGO的结构。本文描述的等离子体还原剥离方法的短持续时间和可扩展性潜力为rGO纸在工业应用中的大规模实施开辟了新的可能性。

图文导读

图1.由带有DCSBD等离子体单元的腔室组成的实验装置示意图

图2. a) 利用气刷喷涂法制造 GO 薄纸的自制真空室；b) 左起：G20-4L、G20-8L 和压缩还原的 rG20-8L 纸；c) 悬挂在 DCSBD 上的还原-剥离 GO 纸：G20-4L、G20-8L 和压缩还原的 rG20-8L 纸 c) 悬挂在 DCSBD 上的 GO 纸的还原-剥离。

图3. rGO 纸的电学测量。

图4. 扫描电镜图像：a) A150-8L 的 GO/rGO 边界的 EDX C 和 O 信号；b) 第一张图中白线的 C 和 O 的线性 EXD 信号；c) A150-8L 的 GO/rGO 边界的横截面 SE（左）和 BSE（右）图像；d) rA150-8L 纸张表面（左）和压缩的 rA150-8L 纸张表面（右）。

图5.a) 样品 A150-8L 的 HR C1s 信号与识别峰；b) 样品 rA150-8L 的 HR C1s 信号与识别峰；c) GO 样品的拉曼光谱；d) rGO 样品的拉曼光谱；e) GO 样品的 XRD 衍射图；f) rGO 样品的 XRD 衍射图

小结

这项工作展示了一种简单且可扩展的方法，用于制造独立的导电rGO薄纸。该方法基于真空喷涂，从不同厚度、不同粒度的 GO 片状悬浮液中喷涂出薄型 GO 纸，然后在大气等离子体的触发下进行简单快速的还原和剥离，生产出导电的多孔还原 GO 纸，再通过冷轧压缩进行后处理，制成厚度仅为几微米的独立导电 rGO 纸。等离子体还原法利用成熟的、工业上可用的 DCSBD 等离子体系统，在标准技术氮气中产生低温、大气等离子体，不含任何有害或危险化学品或产品。利用 XPS 对制作的 rGO 纸进行的化学分析证实，rGO 样品中的氧浓度迅速降低，并存在与氧相关的键，从而证实了还原过程。XPS 结果和对 ID/IG 峰比进行的拉曼分析还分别显示了 rGO 纸结构中 sp2 杂化的恢复和缺陷数量的减少。

这些结果与等离子触发还原后 rGO 纸电学参数的改善相关，特别是纸张电阻的降低和纸张电导率的提高，最高可达 435 S/m。通过 XRD 进一步研究了纸的结构，通过 SEM 和 AFM 研究了纸的表面形态和粗糙度。考虑到等离子体触发的还原过程非常有效且快速，只需几秒钟，所介绍的制造方法提供了一种生产导电 rGO 纸的简单方法，例如，可用作从能源转换到 rGO 增强复合材料等各种可能应用的基底。这种自立式 rGO 纸的潜力突出表现在其不含任何金属添加剂的纯碳（和氧）含量，以及利用低温大气等离子体方法的原始生产方法，该方法采用了稳健、可扩展和简单的 DCSBD 等离子体技术，能够以极快的速度（∼1 秒）通过等离子体触发还原氧化石墨烯，从而解决目前阻碍其大规模生产和实际应用的缓慢 GO- > rGO 改性的最大瓶颈。后续研究将对 rGO 造纸参数和等离子体触发还原进行优化。DCSBD 等离子体方法还为进一步功能化 rGO 纸和提高其特定应用的电气参数提供了新的途径。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118436