Science：微波还原法1秒制备高质量石墨烯！

【引语】

单层石墨烯低产率、厚度为亚微粒子级以及较差的电学性能使得溶液剥离石墨烯片制备工艺仍然存在巨大挑战。采用氧化石墨烯进行剥离可以获得具有较大横向尺寸的单层氧化石墨烯，产率接100%，尽管该项研究完成了大量工作，但对于完全去除含氧官能团仍然不能实现，所以得到的还原性氧化石墨烯具有高度无序性，致使其物理化学性质逊于采用化学气相沉积（CVD）制备的材料。还原氧化石墨烯一直被认为在催化、能源领域具有应用前景，甚至其无序态的还原氧化石墨烯仍然具有很大的利用价值。对于如何高效还原氧化石墨烯是目前亟待解决的问题。

【成果简介】

日前，来自美国罗格斯大学的Manish Chhowalla教授（通讯作者）等在Science上发表论文，报道了一种采用仅需1-2秒的微波法制备出高质量石墨烯。该方法制备得到的石墨烯材料作为场效应晶体管中的通道材料可以实现电子迁移率大于 1000m2/V/s，并且作为催化剂载体材料表现出优异的析氧催化性能。

研究人员采用了改进型hummers方法去氧化石墨烯，并在水溶液中使其溶解成多层氧化石墨烯片。该稳定的氧化石墨烯阵列分散溶液可以在水溶液中重组成不同的形式（例如薄膜状、纸片状、纤维状）。合成得到的氧化性石墨烯前驱物由于其内部和碳原子共价键相连的含氧功能团使得材料为绝缘性的。将具有侧面厚度达到几十微米的氧化性石墨烯置于传统的微波炉中，在1000 W 下加热1-2s 实现氧化石墨烯的还原。氧化石墨烯在微波条件下激发在先前文献已有报道，但是还原效率仍然很低。研究人员首先将材料置于微波下进行预退火，这样可以使得材料具有导电性，以便来吸收微波，从而实现对氧化性石墨烯的快速加热，最后该微波加热过程可以实现氧化性功能团的脱附，并使得材料表面基面的有序化。

【图文导读】

图1. 与完整的单一氧化石墨烯、还原性氧化石墨烯和CVD生长的石墨烯相比较，微波辅助还原氧化石墨烯的物理性能的表征结果。

（A）沉积在硅衬底的单层氧化石墨烯片的扫描电镜图，氧化石墨烯的纳米阵列具有50um的侧面维度。

（B）与完整的氧化石墨烯、还原氧化石墨烯以及CVD生长的石墨烯相比，微波辅助还原氧化石墨烯的C1s处高分辨X射线光电子谱，每个谱都可以去卷积用来定量测量O的含量。

（C）微波辅助还原氧化性石墨烯以及其它石墨烯基样品的拉曼光谱图。该图谱和CVD生长的石墨烯拉曼光谱图一致，出现了对称的2D带和最小的D带，尖锐的拉曼峰表明了微波辅助还原氧化性石墨烯具有较高的结晶性和微波辅助还原性。

（D）I_2D／I_G与晶体尺寸的关系图。微波辅助还原氧化石墨烯的晶体尺寸以及I_2D／I_G均接近其它方法制备得到的样品，但是明显高于还原性氧化石墨烯和分散性的石墨烯材料。

图2. 微波辅助法制备的还原性氧化石墨烯阵列的高分辨率透射电镜图

（A）具有高缺陷密度（孔：红色箭头所指区域；氧功能团：蓝色箭头所指区域）的单层还原性氧化石墨烯的高分辨率透射电镜图。

（B）双层微波辅助还原氧化石墨烯高分辨率透射电镜图。

（C）三层微波辅助还原氧化石墨烯的高分辨率透射电镜图，其透射电镜图表明其组织结构的高度有序性，参考长度为1nm。

图3. 微波辅助还原氧化石墨烯的电学和电催化性能的表征结果图

（A）微波辅助还原氧化石墨烯在V_ds＝50mV下的转移特性图，该材料具有在狄拉克锥体V_g＝0.5V处的双极性；插图：微波辅助还原氧化石墨烯的导电性随着载流子密度变化图。

（B）沉积在微波辅助还原氧化石墨烯、还原氧化石墨烯以及玻璃化碳衬底上的Ni-Fe层状氢氧化物的极化曲线。

（C）沉积在微波辅助还原氧化石墨烯、还原氧化石墨烯以及玻璃化碳衬底上的Ni-Fe层状氢氧化物的塔菲尔曲线，结果发现由于微波辅助法制备的还原氧化石墨烯阵列具有较高的导电率，沉积在微波辅助还原氧化石墨烯上的Ni-Fe层状氢氧化物具有最低的电荷转移电阻率。

（D）在15h，10mA／cm²的电流密度条件下，沉积在微波辅助还原氧化石墨烯以及玻璃化碳衬底上的Ni-Fe层状氢氧化物恒电流法测试结果。结果发现以微波辅助法还原氧化性石墨烯为衬底的材料具有最佳的超电势交换稳定性。相反，在玻璃化碳衬底上的材料其稳定性迅速下降。

文献链接：High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide ( Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah3398)

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