研究背景

石墨烯早已躍為二維層狀材料家族中的明星材料，其優異的電學、光學、力學、輸運性質使其有望在光電、催化、傳感、儲能等領域發揮出巨大的應用潛力。

目前，常用于制備石墨烯的方法有機械剝層法、液相剝層法、外延生長法、化學氣相沉積法、化學還原氧化石墨烯等方法。但這些方法普遍存在產量低、產物尺寸小、生產成本高、對環境負擔大等問題，阻礙了石墨烯的學術研究及產業化進程。

與上述方法相比，電化學剝離石墨電極制取石墨烯的方法具有操作簡易、可在液相中操作、環境友好、成本低廉、產物易于控制等優勢，有望成為大規模制備石墨烯的新途徑。

電化學剝離石墨法可以分為兩類，即既可以采用陰離子在陽極嵌入石墨電極的方法，也可以采用陰離子在陰極嵌入石墨電極的方法。無論采用哪種方法，石墨烯的產率、產量及產物質量都與石墨源、電解液和嵌入電位的選取息息相關。

以往的研究表明，用陽極氧化法剝離石墨電極的效率更高，但高電壓下的副反應不可避免的向石墨烯中引入大量表面缺陷（主要為含氧基團），使產物質量較差。

而將石墨作為陰極，采用陽離子插層法則能避免含氧基團的生成。但這種方法的石墨烯產率并不高。因為石墨陰極與半徑較大的陽離子相互作用，往往使石墨電極斷裂，從而使石墨片脫離電極，造成物料損失。

因此，這兩種方法都只能在一個電極上產生石墨烯，而無法充分利用對電極上發生的反應，由此造成的物料損失及電能浪費使電化學剝離石墨法的產率較低，難以走向實用化進程。

在此基礎上，如果將石墨電極同時作為陰極和陽極，則有望在陰、陽極上同時產生石墨烯，提高能量利用效率及石墨烯產率。

然而，利用雙電極進行電化學剝離石墨法的最大困難在于陰、陽離子及溶劑的選取。因此，對實驗體系中的各組分進行系統篩選，是電化學剝離石墨法走向實際生產的必經之路。

成果速遞

近日，西安交通大學的徐友龍教授（通訊作者）團隊經過系統的篩選和優化，選用TBAClO₄/PC溶劑，并設計了用多孔金屬網包覆石墨電極制成的三明治結構復合石墨電極，將其作為電解池的陰極和陽極，采用電化學剝層的方法，實現了優質石墨烯的宏量制備。

在電解過程中，TBA⁺和ClO₄^–分別嵌入陰極和陽極，形成石墨插層化合物。隨后，石墨插層化合物經熱分解產生石墨烯。

該方法的石墨烯產率高達85%（陰極）和48%（陽極）, 產生石墨烯的速率高達25 g/h。

該方法生產的石墨烯質量較高，其電導率高（＞3×10⁴ S/m），缺陷含量低（I_D/I_G＜0.08），氧化程度低（C/O原子比＞18.4）。70%的石墨烯片層都只有1-3層，其橫向尺寸為1-5 μm。

該方法制備的石墨烯能均勻分散在溶液中。將所得石墨烯以10 mg/mL的濃度分散在NMP中，用噴墨打印法能制備得到柔性導電的石墨烯薄膜。

該工作以“Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation ofGraphite toward Scalable Production of High-Quality Graphene”為標題于2019年7月10日在線發表在Adv.Funct. Mater.上。

圖文導讀

圖一、雙電極電化學剝離石墨法的溶劑篩選

圖二、雙電極電化學剝離石墨法的裝置、產物、原理、產率

圖三、雙電極電化學剝離石墨法的機理研究

圖四、單電極與雙電極電化學剝離石墨法的過程對比

圖五、石墨烯的形貌及結構表征

圖六、石墨烯的缺陷含量、表面化學、電導率表征

圖七、該工作與此前其他工作的對比

圖八、將石墨烯分散在NMP中制成柔性導電薄膜及其應用

原文信息

Simultaneous Electrochemical Dual-Electrode Exfoliation of Graphitetoward Scalable Production of High-Quality Graphene（Adv. Funct. Mater.， 2019， DOI：10.1002/adfm.201902171）

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201902171