光电协同约束自由基加成反应可控制备高性能氧化石墨烯

发布日期:2020-07-27     浏览次数:次   

我院詹东平教授课题组提出光电协同约束自由基加成反应的策略,在高性能氧化石墨烯可控电解制备研究中取得重要进展,相关成果以“Photosynergetic Electrochemical Synthesis of Graphene Oxide”发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6516-6520)

氧化石墨烯(GO)是富含羟基、羰基和羧基等官能团的功能化二维材料,在很多溶剂中均具有良好的分散性。GO不仅可以通过共价键进一步功能化,而且可以通过静电作用、范德华力和氢键进行组装,在能源和环境领域颇具应用前景。采用Hummers方法,即由石墨与强氧化剂(MnO4-FeO42-H2O2等)在强酸环境中(浓H2SO4HNO3等)中反应制备的GO,记作CGO,其尺寸、层数和结晶度很难控制。此外,必须使用大量的水来去除有害的残留化学物质并获得清洁的CGO。电化学剥落石墨制备GO(记作EGO)工艺简便,绿色环保,但氧化程度偏低且不可控。

针对电化学剥离石墨过程中生成的羟基自由基(OH)寿命短、不足以调控EGO氧化度的问题,研究团队提出了一种光电协同的约束自由基加成反应策略,即以草酸根(OA-)为插层离子和共反应剂,通过OA-OH的系列化学转化过程,将OH约束在石墨-石墨烯/溶液界面并实现其再生,,有效地提高了OH的界面浓度,使电解石墨烯和OH之间的自由基加成反应得以充分进行;同时,由于草酸自由基具有光活性,光电协同大幅提高了OH的再生效率,所制备EGO氧化度可控,层数少,尺寸大。红外光谱数据显示该EGO富含羟基和环氧基,而羰基和羧基的谱峰极其微弱,表明其晶体结构非常完整。

所制备的EGO具有很好的自组装和共组装性能。以苯胺分子为共组装剂,通过π-π堆叠作用制备的苯胺/EGO共组装膜,构筑水分子输运的氢键通道,提高水分子的通量。同时,苯胺/EGO共组装膜内的层间局域高离子强度环境,大大提高了离子截留率,在海水淡化和水净化方面具有广阔的应用前景。

该工作是詹东平教授和李剑锋教授、张秋根副教授以及航空航天学院韩联欢助理教授合作完成,实现了电解制备石墨烯的同步功能化,并提高了EGO自组装性能论文第一作者为我院博士生陈杜宏,硕士生林震、博士后Matthew Sartin、博士生刘佳等参与了研究。该研究工作得到国家自然科学基金(项目批准号:218278022162109121573054)的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02158

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