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第三类是催化还原法,即在光照或高温下,将催化剂混合到氧化石墨烯中,诱导氧化石墨烯还原。比如,Williams等人以二氧化钛为催化剂在紫外光照下产生活性电子转移到氧化石墨烯上,使其直接还原可以得到石墨烯和二氧化钛复合材料。此外还有微波还原法、电化学还原法、溶剂热还原法等。
最新进展
用新方法快速制备单层氧化石墨烯的反应原理
2015年,高超教授课题组经过多年探索,发现了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂,取代了沿用半个多世纪的氯系、锰系氧化剂。“我们发现,这种铁氧化剂分子的‘奔跑’速度很快,能像楔子一般,快速穿插进入石墨内部,让石墨很快分层。这一过程中还会产生氧气,而气体会帮助‘顶’开层层石墨,让制备速度加快。”高超说,这种方法很“绿色”:没有爆炸隐患,不会产生有害物质,对环境友好。同时,生产实验数据显示,这种方法做单层氧化石墨烯,在一个小时之内就能完成,有望在工业上大规模应用。相关学术论文“An iron-based green approach to 1-h production of single-layer graphene oxide”发表在《自然》杂志子刊 Nature Communications (《自然通讯》)杂志上。这种方法突破了传统的氧化石墨(烯)制备方法,对石墨烯在未来的进一步应用具有重要意义。
工业级氧化还原石墨烯制备
工业级氧化还原石墨烯制备与实验室制备显著不同。在山西煤化所中试实践中,将石墨烯制备过程划分为氧化合成、分离纯化、干燥制粉和膨化炭化主体工艺段。上述均为基本的化工单元操作,但由于石墨烯二维结构和纳米材料特殊性,生产工艺和装备开发仍面临诸多挑战。例如,氧化段涉及强酸和强氧化环境,伴随剧烈放热,体系稠而不粘,给反应器设计加工带来难题。
山西煤化所在反应器选材和结构设计方面做了大量工作,有效解决了防腐和散热矛盾,反应过程更平稳、安全。在纯化段,氧化石墨在水中吸水性强,pH值升高易凝胶化,与水密度差小,片状颗粒易堵孔,给固液分离带来巨大难题。针对物料特点,山西煤化所设计了分段串联与循环工艺,并自主研发了连续纯化装置,可高效脱除氧化石墨中杂离子,保障石墨烯终端产品纯度。此外,还成功开发干燥制粉和膨化炭化段专用装备,保障了石墨烯的高效、连续、低能耗和安全生产。
相比其他操作复杂、成本高或产率低的制备方法,氧化还原法可以大量、高效地制备出高质量的石墨烯,且过程相对简单,是目前大规模制备石墨烯材料的有效的途径。
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