本文介绍了级联设计氧化过程和强碱性还原反应的实验方案，用于将石墨创新性地、可规模化地转化为多层氧化石墨粉末、氧化石墨烯纳米片、超分子还原氧化石墨烯水凝胶以及还原氧化石墨烯纳米材料。
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摘要
摘要
本研究描述了可放大的氧化和还原反应合成方法，用于制备氧化石墨烯和还原氧化石墨烯纳米材料。采用基于Mn(VII)的氧化反应级联设计，将石墨转化为多层氧化石墨粉末，后者是单层氧化石墨烯纳米片的前驱体。由于利用了反应放热、适当的化学配比和组合策略，该级联设计过程显著节省了加热能量、化学试剂用量以及合成时间。在下一阶段，通过超声辅助将氧化石墨的水合多层结构在水中剥离。氧化石墨烯纳米片在pH >11 、温度为90 °C的强碱性氨水溶液中实现静电稳定并发生化学还原。碱性氢氧化铵溶液被认为是一种环境友好且成本低廉的化学试剂，可用于合成组装成水凝胶结构的还原氧化石墨烯纳米片。超分子水凝胶中的水合还原氧化石墨烯纳米片可通过超声剥离制备均一的水相分散液。该氧化-还原反应的通用方案依次合成了氧化石墨粉末、氧化石墨烯纳米片、还原氧化石墨烯水凝胶及还原氧化石墨烯纳米片，适用于多种科学研究和跨学科应用。该合成方法从实验室规模向工业化生产发展的前景值得期待，有望进一步拓展其应用潜力。
引言
基于石墨烯的材料在众多应用和行业中具有巨大的革新潜力，包括水净化、聚合物纳米复合材料、涂料、涂层、油墨、超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池以及人工光合作用1。目前，基于石墨烯的材料可由多种原材料合成，例如天然/人造石墨、生物碳以及碳氢化合物/氢气。大规模生产石墨烯基材料的方法包括液相剥离石墨法、氧化-还原法以及化学气相沉积法（CVD）1。液相剥离法已实现工业化生产原始石墨烯纳米片。原始石墨烯的效率、标准化程度和可加工性是该方法发展中至关重要的问题2。关于CVD方法，单层石墨烯是通过在金属基底上沉积碳氢化合物/氢气（通常为甲烷和氢气）而合成的。CVD石墨烯具有原子级厚度，具备导电性和透明性，适用于生物传感、光电子学和电子学应用。在氧化-还原法中，天然/人造石墨结构被氧化以合成石墨氧化物（GrO）和氧化石墨烯纳米片（GO），随后被还原以获得还原氧化石墨烯纳米片（RGO）3。氧化-还原路径所制备的GO和RGO纳米材料具有良好的溶液可加工性，是多种配方和应用中通用的构建单元。
在氧化还原法的主要工艺方面，石墨的氧化可以通过电化学方法或化学反应来实现。目前，在科研实验室和工业生产中，使用Hummers试剂（硫酸、高锰酸钾、水和过氧化氢）进行石墨氧化反应被认为是制备氧化石墨/氧化石墨烯（G....
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方案
1. 采用级联设计氧化反应规模化生产氧化石墨
- 石墨/H 的三个烧杯的制备2SO4 悬浮液
- 将5.0 g石墨粉加入50 mL玻璃烧杯中。加入50 mL 97%硫酸（H2SO4) 加入烧杯中。另准备两个石墨/H2SO4 以相同方式重悬。
警告：97%的浓硫酸是一种强腐蚀性化学品，接触有机物时可能引起严重灼伤。 - 搅拌（磁力）三种石墨/H2SO4 在常温条件下静置悬浮液至少1小时。
- 将5.0 g石墨粉加入50 mL玻璃烧杯中。加入50 mL 97%硫酸（H2SO4) 加入烧杯中。另准备两个石墨/H2SO4 以相同方式重悬。
- 高锰酸根离子（Mn(VII)/H）三种溶液的制备2SO4 溶液
- 向一个250 mL玻璃锥形瓶中加入100 mL 97%硫酸。缓慢加入10 g高锰酸钾（KMnO₄）。4) 以溶解于 H2SO4 在磁力搅拌下形成溶液，得到约100 mL的Mn(VII)/H2SO4 溶液。同样地，制备第二份和第三份高锰酸盐（Mn(VII)/H）的锥形瓶2SO4 溶液，分别。
警告：高锰酸盐（Mn(....
- 向一个250 mL玻璃锥形瓶中加入100 mL 97%硫酸。缓慢加入10 g高锰酸钾（KMnO₄）。4) 以溶解于 H2SO4 在磁力搅拌下形成溶液，得到约100 mL的Mn(VII)/H2SO4 溶液。同样地，制备第二份和第三份高锰酸盐（Mn(VII)/H）的锥形瓶2SO4 溶液，分别。
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结果
级联设计、氧化反应和强碱性还原反应的实验方案如图1所示。如前所述，石墨的氧化反应包含两个主要的级联步骤3,8。在本方案中，完成步骤1.1和1.2后，进行步骤1.3（图1A）。混合物温度从室温升至约48–52 °C，表明石墨与Mn(VII)化合物之间发生了放热氧化反应。下一步为步骤1.4，将浓硫酸加入水中释放出强烈的放热热量，使反应温度在数分钟内升至90 °C以上。反应混合物的棕色（图1B）表明石墨已被氧化生成氧化石墨（GrO）。经过洗涤、干燥和研磨后，所得GrO粉末如图1C所示，其含水量约为20%。由初始15 g天然石墨经氧化过程得到24.375 g GrO粉末（相当于19.5 g固体含量），因此GrO固体含量的产率为130% wt。在产品质量方面，GrO粉末在水中具有良好的分散性，尤.......
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讨论
在氧化石墨（GrO）的合成方面，使用Hummers试剂（KMnO4、H2SO4、H2O和H2O2）的氧化方法因其基础化学品易得且氧化过程简单，已被广泛应用于全球范围内的实验室及工业化生产1,3,5,7。然而，自20世纪80年代以来，已有报道指出由KMnO4和H2SO4生成的Mn(VII)化合物存在严重的爆炸风险12,13。Mn(VII)化合物具有强氧化性，但在温度高于55 °C时可能具有爆炸性。氧化过程中放热反应引发的热失控可能导致反应温度升至55 °C的安全限值以上，从而.......
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披露
作者声明，他们不存在任何已知的相互竞争的经济利益或可能被认为影响本文所报告工作的个人关系。
致谢
作者感谢胡志明市越南国家大学科学技术大学材料科学与技术学院基础材料科学实验室和多功能材料实验室提供的实验支持，以及中心实验室提供的分析支持。 分析，科学大学，越南国立胡志明市大学。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 25% - 28% 氨水溶液 | Xilong Scientific Company | 1336-21-6 | |
| 石墨粉 | Shanghai Zhanyun Chemical Company | 7782-42-5 | |
| 36% 盐酸 | Xilong Scientific Company | 7647-01-0 | |
| 30% 过氧化氢溶液 | Xilong Scientific Company | 7722-84-1 | |
| 99.5% 高锰酸钾 | Duc Giang Chemicals Group | 7722-64-7 | |
| 97% 硫酸 | Xilong Chemical Company | 7664-93-9 |
参考文献
- Zhu, Y., Ji, H., Cheng, H. M., Ruoff, R. S. Mass production and industrial applications of graphene materials. Natl Sci Rev. 5, 90-101 (2018).
- Kauling, A. P., et al. The Worldwide Graphene Flake Production. Adv Mater. 30 (44), 1803784(2018).
- Le, H. N., et al.....
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重印与许可
