Graphen-basierte Materialien haben ein großes Potenzial, viele Anwendungen und Branchen zu revolutionieren, darunter Wasserreinigung, Polymer-Nanokomposite, Farben, Beschichtungen, Tinten, Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien, Solarzellen, Brennstoffzellen und künstliche Photosynthese1. Heute werden graphenbasierte Materialien aus verschiedenen Rohstoffen synthetisiert, wie z. B. natürlichem/künstlichem Graphit, Biokohlenstoffen und Kohlenwasserstoff-/Wasserstoffgasen. Zu den Methoden für die großtechnische Herstellung von Materialien auf Graphenbasis gehören das Flüssigphasenpeeling von Graphit, Oxidations-Reduktionsprozesse und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD)1. Die Flüssigphasen-Exfoliationsmethode wurde für die industrielle Herstellung von unberührten Graphen-Nanoblättern skaliert. Effizienz, Standard und Verarbeitbarkeit von reinem Graphen sind entscheidende Themen für die Entwicklung dieses Ansatzes2. Bei der CVD-Methode werden einlagige Graphenschichten aus der Abscheidung von Kohlenwasserstoff-/Wasserstoffgasen (typischerweise Methan und Wasserstoff) auf Metallsubstraten synthetisiert. CVD-Graphen ist atomar dünn, leitfähig und transparent für biosensorische, optoelektronische und elektronische Anwendungen. Beim Ansatz der Oxidations-Reduktions-Prozesse werden natürliche/künstliche Graphitstrukturen oxidiert, um Graphitoxid (GrO) und Graphenoxid-Nanoblätter (GO) zu synthetisieren, die dann reduziert werden, um reduzierte Graphenoxid-Nanoblätter (RGO)3 zu erhalten. Der Oxidations-Reduktions-Weg produziert sowohl GO- als auch RGO-Nanomaterialien, die lösungsverarbeitbar und vielseitige Bausteine für eine Vielzahl von Formulierungen und Anwendungen sind.
Unter dem Aspekt des primären Prozesses im Oxidations-Reduktions-Ansatz kann die Graphitoxidation unter Verwendung eines elektrochemischen Verfahrens oder einer chemischen Reaktion durchgeführt werden. Gegenwärtig gilt die Graphitoxidationsreaktion mit Hummers-Reagenzien (Schwefelsäure, Kaliumpermanganat, Wasser und Wasserstoffperoxid) als die beliebteste chemische Methode zur Herstellung von GrO/GO in wissenschaftlichen Labors und Industriefabriken 4,5,6. Mangan(VII)- oder Mn(VII)-Verbindung, die aus dem Gemisch von Kaliumpermanganat und konzentrierter Schwefelsäure gewonnen wird, ist ein kostengünstiges und wirksames Mittel für Oxidationsreaktionen, aber auch gefährlich und explosiv bei Temperaturen über 55 °C7. Herkömmliche Konstruktionen der Graphitoxidationsreaktion verwenden eine hohe Menge an Mn(VII)-Verbindung (Graphit: KMnO4 = 1:3 w/w) und die exotherme Zugabe von Wasser zu Graphit/Mn(VII)-Reaktionsgemisch, was zu ernsthaften Risiken einer thermischen Explosion und zusätzlicher energieaufwändiger Kühl-/Heizprozesse führt8. Aus diesem Grund haben wir in unseren jüngsten Forschungsarbeiten das Kaskadendesign der Mn(VII)-basierten Oxidationsreaktion (unter Verwendungeines Graphit-KMnO-4-Verhältnisses von 1:2 w/w und zwei exothermen Kaskadenschritten) vorgestellt, das die Vorteile der Prozesssicherheit, der Energieeinsparung und der chemischen Effizienz für eine skalierbare Produktionstechnologie bietet 3,8. Infolgedessen wird Graphit chemisch in GrO umgewandelt, eine mehrschichtige Struktur, die mit Wassermolekülen in Zwischenblattgalerien interkaliert ist. Bei der Beschallung in Wasser peelen Ultraschallschwingungen und Kavitationen in wässrigen Kanälen mehrschichtiges GrO zu einschichtigen GO-Nanoblättern.
In Bezug auf den Sekundärprozess des Oxidations-Reduktions-Ansatzes werden GO-Nanoblätter, die in wässriger Lösung dispergiert werden, chemisch reduziert, um RGO-Nanoblätter zu erhalten. Unsere jüngste Arbeit hat gezeigt, dass eine hochbasische Ammoniaklösung mit einem pH-Wert von >11 eine wirksame Umgebung für die Reduktionsreaktiondarstellt 3. Im Vergleich zu den Reduktionsmitteln Hydrazin, Hydrojodsäure, Ascorbinsäure und Natriumborhydrid ist die Ammoniaklösung kostengünstiger und alkalischer für die Synthese von supramolekularem RGO-Hydrogel3. Synthetisierte RGO-Nanoblätter enthalten immer noch eine Reihe von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (C/O-Verhältnis von RGO-Nanoblättern beträgt etwa 4,17), um die Oberflächenhydratation zu erhalten. Mit der wasserinterkalierten Hydrogelstruktur können hydratisierte RGO-Nanoblätter in geeigneten Konzentrationen mit Ultraschall in Wasser redispergiert werden.
In diesem Manuskript werden Protokolle der Kaskadendesign-Oxidationsreaktion und der hochbasischen Reduktionsreaktion für die sichere, effiziente und skalierbare Herstellung von GO und RGO im Labor- und Pilotmaßstab beschrieben. Erhebliche Verbesserungen bei den synthetischen Verfahren werden für die Scale-up-Entwicklung berichtet. Im Bereich der GrO/GO-Synthese wird die kombinative Kaskadenstrategie der Zugabe mehrerer chemischer Einheiten in das Wasser implementiert und analysiert, um das Scale-up-Potenzial zu erarbeiten. Im Rahmen der RGO-Synthese werden GrO-Vorläuferstrukturen elektrostatisch stabilisiert, mit Ultraschall exfoliert und vollständig in RGO-Hydrogel umgewandelt. Das verbesserte Verfahren der alkalischen Reduktionsreaktion erhöht die Produktionseffizienz erheblich, da das GrO-Material vollständig in RGO-Hydrogel umgewandelt wird. Das erhaltene RGO-Hydrogel weist gute Eigenschaften der dreidimensionalen Morphologie, der supramolekularen Selbstorganisation, der wässrigen Dispergierbarkeit und der Nanostrukturen auf Graphenbasis auf. Im Allgemeinen werden durch die chemischen Oxidations-Reduktions-Prozesse hochwertige Produkte aus GrO-Pulver, GO-Nanoblättern, RGO-Hydrogel und RGO-Nanoblättern hergestellt.