氧化石墨烯(GO)是富含羥基、羰基和羧基等官能團的功能化二維材料,在很多溶劑中均具有良好的分散性。GO不僅可以通過共價鍵進一步功能化,而且可以通過靜電作用、范德華力和氫鍵進行組裝,在能源和環(huán)境領(lǐng)域頗具應用前景。采用Hummers方法,即由石墨與強氧化劑(MnO4-、FeO42-、H2O2等)在強酸環(huán)境中(濃H2SO4、HNO3等)中反應制備的GO,記作CGO,其尺寸、層數(shù)和結(jié)晶度很難控制。此外,必須使用大量的水來去除有害的殘留化學物質(zhì)并獲得清潔的CGO。電化學剝落石墨制備GO(記作EGO)工藝簡便,綠色環(huán)保,但氧化程度偏低且不可控。
針對上述問題,研究團隊提出了一種光電協(xié)同的約束自由基加成反應策略,以草酸根陰離子(OA-)作為插層離子和共反應劑,通過電生羥基自由基(OH?)和OA-的隨后化學轉(zhuǎn)化過程(EC反應)延長OH?的壽命,并將OH?約束在石墨-石墨烯/溶液界面,有效提高OH?的界面濃度,通過自由基加成反應制備EGO。由于草酸自由基具有光活性,光電協(xié)同大大提高了制備效率。所制備EGO氧化度可控,層數(shù)少,尺寸大。紅外光譜數(shù)據(jù)顯示該EGO富含羥基和環(huán)氧基,而羰基和羧基的譜峰極其微弱,表明其晶體結(jié)構(gòu)非常完整。
所制備的EGO具有很好的自組裝和共組裝性能。以苯胺分子為共組裝劑,通過π-π堆疊作用制備的苯胺/EGO共組裝膜,構(gòu)筑水分子輸運的“氫鍵”通道,提高水分子的通量。同時,苯胺/EGO共組裝膜內(nèi)的層間局域高離子強度環(huán)境,大大提高了離子截留率,在海水淡化和水凈化方面具有廣闊的應用前景。
該工作是詹東平教授和李劍鋒教授、張秋根副教授以及航空航天學院韓聯(lián)歡助理教授合作完成,實現(xiàn)了電解制備石墨烯的同步功能化,并提高了EGO自組裝性能。論文第一作者為廈門大學化學化工學院博士生陳杜宏,碩士生林震、博士后Matthew Sartin、博士生劉佳等參與了研究。該研究工作得到國家自然科學基金(項目批準號:21827802、21621091、21573054)的資助。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02158
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