瑞典皇家理工学院《Small》：通过商业碳纤维制备2D氧化石墨烯纳米片
瑞典皇家理工学院《Small》：通过商业碳纤维制备2D氧化石墨烯纳米片
瑞典皇家理工学院的研究人员在《Small》期刊上发表了一篇重要论文，介绍了一种从商用碳纤维中制备氧化石墨烯（GO）纳米片的新方法。这种方法不仅可扩展、可重复，而且制备的GO纳米片厚度均匀，具有广泛的应用前景。
成果简介
瑞典皇家理工学院Richard T Olsson等研究人员在《Small》期刊发表名为“Making Synthetic 2D Graphene Oxide Nanosheets by Electrochemical Oxidation of Commercial Carbon Fibres”的论文。研究展示了一种可扩展、可重复的方法，用于从碳化聚丙烯腈（PAN）聚合物衍生的商用碳纤维中合成氧化石墨烯（GO）纳米片。
采用硝酸剥离法制备的单层 GO 纳米片厚度一致，为 0.9 ± 0.2 nm，与从开采的石墨中提取的市售 GO 相同。GO 纳米片呈现出明显的圆形和椭圆形，与商用GO的多边形和尖角形形成鲜明对比。通过对酸性溶液和电位的广泛评估，确定了获得0.1-1微米大小的 GO 纳米片的关键加工窗口。
结果发现，5%的酸浓度出乎意料地低，是最有效的酸浓度，通过协同酸性氧化和电化学氧化实现了高效剥离之间的平衡。该工艺提供了每克碳纤维 200 毫克 GO 的高产率。利用高分辨率电子显微镜和原子力显微镜（HR-TEM/SEM/AFM）、拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）和红外光谱（FTIR）进行的高级表征详细揭示了纳米片的形态、厚度、表面功能化和化学成分。
合成的 GO 具有产量高、生产过程对环境无害、用途广泛等特点，为能源储存、先进涂层、高性能复合材料、水净化和电子设备等大规模应用提供了变革性的潜力。
图文导读
图1、Reaction abstract leading to graphene oxide dispersions in water and evolution of electrolyte colour during electrolysis in 5 wt.% nitric acid under 3 V. The vials display the results from the 1 g scale-up experiment.
图6、SEM micrograph of graphene oxide nanosheets made at 3 volts and 5 wt.% nitric acid solution, deposited on a mica sheet from 1.0 grams of thermally uncoated carbon fibres.
小结
本研究利用从碳化聚丙烯腈（PAN）中提取的高纯度碳纤维作为原料，实现了合成氧化石墨烯（GO）纳米片的可扩展和可持续生产。通过在优化的酸性条件下采用电化学剥离工艺，该方法成功生成了高质量的单层氧化石墨烯（GO）纳米片，尺寸≈600 nm，其特性与市售的氧化石墨烯相当，厚度为 0.9 ± 0.2 nm。预处理，特别是热去除聚合物保护层，对加工结果至关重要。通过详细的实验发现了有效加工时间的限制，表明剥离在 45 分钟内达到峰值效率。这一发现为连续加工铺平了道路，在连续加工中，碳纤维可以被系统地拉出萃取介质，并被新的纤维取代，从而促进不间断的 GO 生产。
通过对不同酸浓度和电位范围的综合评估，我们确定了一个狭窄但高效的加工窗口，特别是在硝酸浓度较低的情况下。这个窗口可以精确控制纳米片的形态和尺寸分布。该工艺显示出卓越的可扩展性，每克纤维可产生 200 毫克 GO，为大规模工业应用提供了明显的潜力。
在合成的 GO 中掺入氮残留物提供了功能化的可能性，值得进一步研究，以更好地了解其与带隙调节相关的潜在应用。不过，均匀的厚度和高表面积也使其在能源相关材料系统（如超级电容器、电池和高压应用中的电介质材料）中颇具吸引力。氮掺杂改变了电子结构，促进了电子转移，提高了材料在催化应用中的反应活性。此外，合成过程中引入的官能团将改变材料的吸附能力，使其成为水净化技术的候选材料，包括去除重金属和有机污染物。
鉴于天然石墨的有限可用性以及电子和能源存储等行业对其日益增长的需求，欧盟最近将天然石墨列为重要原材料，这更加凸显了该方法的重要性，因为天然石墨的内在电学特性及其更广泛的带隙调制可能性已经得到证实。所展示的方法为更环保、更高效的生产工艺铺平了道路，同时也符合全球通过减少对开采石墨的依赖来缓解资源稀缺的努力。预计将进一步探索一系列导电碳源，包括使用完全可再生和更具环保意识的原料，如从木材中提取的木质纤维素碳纤维，或其他碳化可再生生物材料，逐步实现完全环保的 GO 制造工艺。