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【刘忠范课题组】基于水溶性基底的石墨烯绿色制备

【刘忠范课题组】基于水溶性基底的石墨烯绿色制备

石墨烯是一种具有零带隙、高载流子迁移率、超高比表面积等优异性质的二维碳材料,可用于能源存储、生物传感、电子信息等众多领域。而实现石墨烯的批量可控制备是发挥其潜在应用价值的重要前提。目前,石墨烯的制备方法主要有机械剥离、液相剥离、氧化还原法和化学气相沉积等。其中,化学气相沉积作为一种自下而上的制备方法,选用的基底包括铜箔、镍箔、SiO2/Si等,获得的石墨烯具有高晶体质量、大面积、层厚可控等特点。然而,这些生长基底都需要通过使用刻蚀剂刻蚀的方法才能去除,这一方面增加了基底的损耗,另一方面也会引入杂质,从而造成石墨烯晶体质量的严重降低。

针对这一问题,北京大学刘忠范院士的研究团队提出了有效的解决方法,在石墨烯粉体材料的批量绿色制备上取得了重要进展。该团队以水溶性的氯化钠晶体作为基底,以乙烯为碳源,在低于氯化钠熔点的生长温度下,利用化学气相沉积方法实现了少层石墨烯的控制生长。由于氯化钠在水中的溶解度高达26.5 g,这使得基底的去除可以通过水清洗的方法简单、绿色地实现。同时,氯化钠可以通过蒸发结晶的方式进行回收,可以实现基底的循环使用,大大降低石墨烯的制备成本。有意思的是,氯化钠晶体具有立方结构,生长过程中石墨烯会复制氯化钠晶体的形貌,从而得到了三维的空心立方石墨烯盒子。在超声处理后,这种石墨烯盒子会破裂形成石墨烯片,进一步干燥即可得到石墨烯的粉体。此外,这种方法制备得到的石墨烯在水中表现出特殊的带电性质,可用于污水中阴、阳离子染料的吸附从而达到净化污水的效果。

由于生长温度低、基底廉价易得、转移过程简便无损、基底可循环利用等突出优点,这种方法有望用于石墨烯粉体的批量绿色制备,从而推动石墨烯材料在能源存储、生物传感、环境净化等众多领域的广泛应用。相关论文在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502013)。

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