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氧化石墨烯是一種重要的石墨烯衍生物，最初主要作為宏量制備石墨烯的前驅(qū)體，近年來由于其不同于石墨烯的諸多獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)和廣闊應(yīng)用前景而越來越受到人們的重視。由于存在大量的含氧官能團(tuán)，氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，且易于組裝和功能化，因此廣泛用于制備多功能分離膜、高導(dǎo)高強(qiáng)纖維、超輕超彈性氣凝膠等多種功能材料，并且在電化學(xué)儲(chǔ)能、催化、生物醫(yī)藥、復(fù)合材料等方面表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

目前，氧化石墨烯主要是通過剝離氧化石墨來進(jìn)行制備，主要有三種制備方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法制備過程的時(shí)效性相對(duì)較好而且制備過程中也比較安全，是目前最常用的一種。它采用濃硫酸中的高錳酸鉀與石墨粉末經(jīng)氧化反應(yīng)之后，得到棕色的在邊緣有衍生羧酸基及在平面上主要為酚羥基和環(huán)氧基團(tuán)的石墨薄片，此石墨薄片層可以經(jīng)超聲或高剪切劇烈攪拌剝離為氧化石墨烯，并在水中形成穩(wěn)定、淺棕色的單層氧化石墨烯懸浮液。

無論是最早的Brodie方法，還是后來發(fā)展起來的Staudenmaier和Hummers方法，均是基于石墨與大量濃硝酸、濃硫酸、高錳酸鉀等復(fù)合強(qiáng)氧化劑的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，不僅存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而且污染嚴(yán)重，反應(yīng)周期長。以目前最常用的Hummers方法為例，氧化劑由濃硫酸和高錳酸鉀構(gòu)成，其與石墨的典型物料比（質(zhì)量比）為40:3:1（濃硫酸：高錳酸鉀：石墨），反應(yīng)最終會(huì)產(chǎn)生超過1000質(zhì)量單位的酸性廢水。并且，高活性的Mn2O7中間產(chǎn)物在高溫下可能會(huì)發(fā)生爆炸，氧化反應(yīng)的完成需要數(shù)小時(shí)到上百小時(shí)。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部提出了一種電解水氧化的新方法，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯的安全、綠色、超快制備。該方法首先在濃硫酸中將石墨插層，然后在稀硫酸中對(duì)插層石墨進(jìn)行氧化。氧同位素示蹤和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明，氧化石墨烯中的氧元素主要來源于電解液中的水，電解水產(chǎn)生的大量高活性氧自由基與石墨反應(yīng)生成了氧化石墨烯。反應(yīng)中硫酸幾乎沒有損耗，也不生成其它物質(zhì)，可被重復(fù)用于電化學(xué)反應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，電解水氧化制備氧化石墨烯的氧化速率比現(xiàn)有方法快100倍以上，而所得材料與現(xiàn)有方法類似，并且易于連續(xù)化制備。

該方法有效解決了氧化石墨烯制備長期面臨的爆炸危險(xiǎn)、環(huán)境污染及反應(yīng)周期長的問題，有望大幅降低制備成本，促進(jìn)氧化石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。