氧化等功能化石墨烯的电化学控制制备和反应机制研究

Controlled synthesis of graphene oxide and other functionalized graphene is the key for the multi-functional applications of graphene and related materials, but the present synthesis methods are usually restricted by their shortcomings like heavy pollution, less effectiveness, and poor controllability. In this project, the reaction mechanism on the synthesis of graphene oxide by our new electrochemical method (Nature Communications, 9, 145, 2018) will be thoroughly studied to uncover the keys for the oxidation of graphene and the nature of the formation mechanism of covalently bonded groups on carbon lattice. By this research, a controlled synthesis of graphene oxide on its oxidation degree and the main type of functional groups will be realized. Further research on the synthesis of other covalently functionalized graphene by electrochemical methods will also be carried out to discover new ways for the controllable synthesis of covalently functionalized graphene. The research in this project is meaningful for improving the understanding of basic chemical properties of graphene, as well as the promote the industrial synthesis and applications of graphene oxide and functionalized graphene.

氧化石墨烯等功能化石墨烯的控制制备是实现石墨烯在不同领域应用的前提和基础，但现有基于液相化学反应的制备过程存在环境污染、功能化程度低、可控性差等问题。申请人在前期提出了全新的电解水氧化方法实现了氧化石墨烯的快速绿色制备（Nature Communications, 9, 145, 2018），本项目拟对电化学方法制备氧化石墨烯的反应机制进行深入研究，揭示影响氧化石墨烯结构的关键控制因素及作用机理，进而实现对氧化石墨烯氧化程度及主要官能团类型的调控；在此基础上探索利用电化学方法制备其它类型的共价功能化石墨烯，研究功能化石墨烯的形成机理，实现2种以上功能化石墨烯的电化学制备。本项目的实施对于理解石墨烯碳平面上共价功能化的反应机制及控制制备有重要意义，不仅可以丰富对石墨烯基本化学性质的认识，而且将极大推动石墨烯在不同领域的应用。

功能化石墨烯的控制制备是实现石墨烯多样化应用的关键，利用电化学方法实现氧化等功能化的控制制备可有效解决传统基于液相化学反应的制备过程存在环境污染、功能化程度低、可控性差等问题。本研究在前期两步电化学方法制备氧化石墨烯的基础上，着重对电化学方法制备氧化石墨烯的反应机理开展实验研究，取得了四个方面的研究进展，主要包括：（1）阐明了石墨材料的电化学氧化过程、机制和主要影响因素，提出了石墨电极的一阶插层状态和对电解液中水向电极内部扩散作用的控制是实现氧化石墨烯高效电化学制备的关键影响因素，这是对电化学方法制备氧化石墨烯技术的重要指导性理论；基于基于这一理论，我们研发出了用于氧化石墨烯制备的油封电解氧化技术和普适性的功能化石墨烯微液膜电解氧化制备技术；（2）实现了基于油封电解氧化技术的氧化石墨烯工程化开发和生产放大；（3）研制出微液膜电解制备技术和装置，获得了具有一定普适性的功能化石墨烯电化学制备技术，并实现氮、硫、氟等多种功能化石墨烯的电化学制备；（4）开展了电化学方法制备不同类型功能化石墨烯的应用探索，研制出高性能的石墨烯印刷储能器件和石墨烯导热电磁屏蔽膜材料，同时针对应用特点开发出了高效的扫描离心制膜技术。这些研究进展和成果的取得为石墨烯材料的应用提供了关键技术支持，对与氧化等功能化石墨烯材料的工业化生产与应用具有重大指导意义，有望大幅度促进石墨烯材料产业化的发展。