氧化石墨烯是一種重要的石墨烯衍生物，最初主要作為宏量制備石墨烯的前驅(qū)體，近年來(lái)由于其不同于石墨烯的諸多獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)和廣闊應(yīng)用前景而越來(lái)越受到人們的重視。最近，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部提出了一種電解水氧化的新方法，打破了150多年來(lái)通過(guò)強(qiáng)氧化劑對(duì)石墨進(jìn)行氧化的傳統(tǒng)思路，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯的安全、綠色、超快制備。該成果于1月10日在Nature Communications上在線發(fā)表。

氧化石墨烯由于存在大量的含氧官能團(tuán)，在水中具有良好的分散性，且易于組裝和功能化，因此已被廣泛用于制備多功能分離膜、高導(dǎo)高強(qiáng)纖維、超輕超彈性氣凝膠等多種功能材料，并且在電化學(xué)儲(chǔ)能、催化、生物醫(yī)藥、復(fù)合材料等方面表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

據(jù)介紹，中科院金屬研究所的研發(fā)人員是在濃硫酸中將石墨插層，然后在稀硫酸中對(duì)插層石墨進(jìn)行氧化。氧同位素示蹤和自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明，氧化石墨烯中的氧元素主要來(lái)源于電解液中的水，電解水產(chǎn)生的大量高活性氧自由基與石墨反應(yīng)生成了氧化石墨烯。反應(yīng)中硫酸幾乎沒(méi)有損耗，也不生成其它物質(zhì)，可被重復(fù)用于電化學(xué)反應(yīng)。該方法有效解決了氧化石墨烯制備長(zhǎng)期面臨的爆炸危險(xiǎn)、環(huán)境污染及反應(yīng)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，有望大幅降低制備成本，有利于氧化石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用。

目前，氧化石墨烯主要是通過(guò)剝離氧化石墨來(lái)進(jìn)行制備。而氧化石墨的制備迄今已有150多年的歷史，無(wú)論是最早的Brodie方法(1859年)，還是后來(lái)發(fā)展起來(lái)的Staudenmaier和 Hummers方法，都是基于石墨與大量濃硝酸、濃硫酸、高錳酸鉀等復(fù)合強(qiáng)氧化劑的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而且污染嚴(yán)重，反應(yīng)周期長(zhǎng)。以目前最常用的Hummers方法為例，氧化劑由濃硫酸和高錳酸鉀構(gòu)成，其與石墨的典型物料比(質(zhì)量比)為40:3:1(濃硫酸：高錳酸鉀：石墨)，反應(yīng)最終會(huì)產(chǎn)生超過(guò)1000質(zhì)量單位的酸性廢水。并且，高活性的Mn2O7中間產(chǎn)物在高溫下可能會(huì)發(fā)生爆炸，而氧化反應(yīng)的完成需要數(shù)小時(shí)到上百小時(shí)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，電解水氧化制備氧化石墨烯的氧化速率比現(xiàn)有方法快100倍以上，而所得材料與現(xiàn)有方法類似，并且易于連續(xù)化制備。目前，相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利和PCT專利，并已轉(zhuǎn)讓成立了深圳烯材科技有限公司。