中國粉體網(wǎng)訊  日前，來自美國羅格斯大學(xué)的Manish Chhowalla教授（通訊作者）等在Science上發(fā)表論文，報(bào)道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質(zhì)量石墨烯。本文通過各種表征方法來探討微波輔助還原氧化石墨烯與完整的單一氧化石墨烯、還原性氧化石墨烯和CVD生長的石墨烯相比較，其結(jié)構(gòu)性能有何優(yōu)缺點(diǎn)。

【引語】  

單層石墨烯低產(chǎn)率、厚度為亞微粒子級以及較差的電學(xué)性能使得溶液剝離石墨烯片制備工藝仍然存在巨大挑戰(zhàn)。采用氧化石墨烯進(jìn)行剝離可以獲得具有較大橫向尺寸的單層氧化石墨烯，產(chǎn)率接100%，盡管該項(xiàng)研究完成了大量工作，但對于完全去除含氧官能團(tuán)仍然不能實(shí)現(xiàn)，所以得到的還原性氧化石墨烯具有高度無序性，致使其物理化學(xué)性質(zhì)遜于采用化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的材料。還原氧化石墨烯一直被認(rèn)為在催化、能源領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，甚至其無序態(tài)的還原氧化石墨烯仍然具有很大的利用價值。對于如何高效還原氧化石墨烯是目前亟待解決的問題。  

【成果簡介】  

日前，來自美國羅格斯大學(xué)的Manish Chhowalla教授（通訊作者）等在Science上發(fā)表論文，報(bào)道了一種采用僅需1-2秒的微波法制備出高質(zhì)量石墨烯。該方法制備得到的石墨烯材料作為場效應(yīng)晶體管中的通道材料可以實(shí)現(xiàn)電子遷移率大于 1000m2/V/s，并且作為催化劑載體材料表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧催化性能。  

研究人員采用了改進(jìn)型hummers方法去氧化石墨烯，并在水溶液中使其溶解成多層氧化石墨烯片。該穩(wěn)定的氧化石墨烯陣列分散溶液可以在水溶液中重組成不同的形式（例如薄膜狀、紙片狀、纖維狀）。合成得到的氧化性石墨烯前驅(qū)物由于其內(nèi)部和碳原子共價鍵相連的含氧功能團(tuán)使得材料為絕緣性的。將具有側(cè)面厚度達(dá)到幾十微米的氧化性石墨烯置于傳統(tǒng)的微波爐中，在1000 W 下加熱1-2s 實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的還原。氧化石墨烯在微波條件下激發(fā)在先前文獻(xiàn)已有報(bào)道，但是還原效率仍然很低。研究人員首先將材料置于微波下進(jìn)行預(yù)退火，這樣可以使得材料具有導(dǎo)電性，以便來吸收微波，從而實(shí)現(xiàn)對氧化性石墨烯的快速加熱，最后該微波加熱過程可以實(shí)現(xiàn)氧化性功能團(tuán)的脫附，并使得材料表面基面的有序化。  

【圖文導(dǎo)讀】 

圖1. 與完整的單一氧化石墨烯、還原性氧化石墨烯和CVD生長的石墨烯相比較，

微波輔助還原氧化石墨烯的物理性能的表征結(jié)果    

（A）沉積在硅襯底的單層氧化石墨烯片的掃描電鏡圖，氧化石墨烯的納米陣列具有50um的側(cè)面維度。  

（B）與完整的氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及CVD生長的石墨烯相比，微波輔助還原氧化石墨烯的C1s處高分辨X射線光電子譜，每個譜都可以去卷積用來定量測量O的含量。  

（C）微波輔助還原氧化性石墨烯以及其它石墨烯基樣品的拉曼光譜圖。該圖譜和CVD生長的石墨烯拉曼光譜圖一致，出現(xiàn)了對稱的2D帶和最小的D帶，尖銳的拉曼峰表明了微波輔助還原氧化性石墨烯具有較高的結(jié)晶性和微波輔助還原性。  

（D）I2D／IG與晶體尺寸的關(guān)系圖。微波輔助還原氧化石墨烯的晶體尺寸以及I2D／IG均接近其它方法制備得到的樣品，但是明顯高于還原性氧化石墨烯和分散性的石墨烯材料。

圖2. 微波輔助法制備的還原性氧化石墨烯陣列的高分辨率透射電鏡圖    

（A）具有高缺陷密度（孔：紅色箭頭所指區(qū)域；氧功能團(tuán)：藍(lán)色箭頭所指區(qū)域）的單層還原性氧化石墨烯的高分辨率透射電鏡圖。  

（B）雙層微波輔助還原氧化石墨烯高分辨率透射電鏡圖。  

（C）三層微波輔助還原氧化石墨烯的高分辨率透射電鏡圖，其透射電鏡圖表明其組織結(jié)構(gòu)的高度有序性，參考長度為1nm。 

圖3. 微波輔助還原氧化石墨烯的電學(xué)和電催化性能的表征結(jié)果圖    

（A）微波輔助還原氧化石墨烯在Vds＝50mV下的轉(zhuǎn)移特性圖，該材料具有在狄拉克錐體Vg＝0.5V處的雙極性；插圖：微波輔助還原氧化石墨烯的導(dǎo)電性隨著載流子密度變化圖。  

（B）沉積在微波輔助還原氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物的極化曲線。  

（C）沉積在微波輔助還原氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物的塔菲爾曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于微波輔助法制備的還原氧化石墨烯陣列具有較高的導(dǎo)電率，沉積在微波輔助還原氧化石墨烯上的Ni-Fe層狀氫氧化物具有最低的電荷轉(zhuǎn)移電阻率。  

（D）在15h，10mA／cm²的電流密度條件下，沉積在微波輔助還原氧化石墨烯以及玻璃化碳襯底上的Ni-Fe層狀氫氧化物恒電流法測試結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)以微波輔助法還原氧化性石墨烯為襯底的材料具有最佳的超電勢交換穩(wěn)定性。相反，在玻璃化碳襯底上的材料其穩(wěn)定性迅速下降。