鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:2278次 | 2018年07月22日
如何使單層石墨烯在水中分散均勻?
通常石墨烯與水不能很好的混合,當(dāng)石墨烯在水中時(shí),會(huì)出現(xiàn)“懸鍵”(水分子的氫原子會(huì)指向石墨烯表面),并且石墨烯附近的水分子不能形成3個(gè)以上的氫鍵,而純水中平均每個(gè)水分子有3.6個(gè)氫鍵。因此石墨烯及非極性碳?xì)浠飼?huì)破壞水中的氫鍵從而引起疏水相互作用,從而導(dǎo)致石墨烯在水中難以溶解。另外石墨烯促進(jìn)溶解在水中的納米氣泡在石墨烯表面形核,這也會(huì)加劇石墨烯的團(tuán)聚和沉淀。石墨插入化合物可以在質(zhì)子惰性溶劑中被剝離為單層石墨烯,從而產(chǎn)出熱力學(xué)穩(wěn)定的負(fù)電石墨烯(graphenide)溶液。負(fù)電石墨烯是一種強(qiáng)還原劑,而有機(jī)溶劑對(duì)空氣和水分很敏感。近期George等人(DOI:10.1038/NCHEM.2669)實(shí)現(xiàn)了單層石墨烯層片均勻分布在除去氣體的水中,這種石墨烯水溶液在空氣中穩(wěn)定,并且不需要添加表面活性劑。
在惰性氣氛中將石墨鉀溶解于四氫呋喃THF中形成單層負(fù)電石墨烯聚離子,隨后通過(guò)暴露在空氣中在THF內(nèi)將負(fù)電石墨烯離子氧化為石墨烯,然后迅速轉(zhuǎn)移到脫氣的水中,在空氣中暴露的過(guò)程形成過(guò)氧化物陽(yáng)離子和中性石墨烯。在正常的實(shí)驗(yàn)條件下,溶于水中的氣體吸附在石墨烯表面導(dǎo)致分散的個(gè)體之間產(chǎn)生長(zhǎng)程吸引力,從而促進(jìn)團(tuán)聚。相反的如果對(duì)水進(jìn)行脫氣處理,水離子已經(jīng)吸附在石墨烯的表面了,這種吸附使得分散的石墨烯層片帶有一定的電荷,靜電排斥作用可以使石墨烯片的分散狀態(tài)保持穩(wěn)定。總的來(lái)說(shuō),在脫氣的水中,因?yàn)槭┢g的彌散的吸引力很小和靜電排斥穩(wěn)定性,石墨烯在脫氣水中的再聚集會(huì)急劇減慢。由于負(fù)電石墨烯氧化和水分解作用使得OH--離子自發(fā)吸附在石墨烯表面,石墨烯在水中帶電。當(dāng)兩片石墨烯相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生排斥作用。因此石墨烯可以有效的分散在水中,濃度達(dá)到0.16g/L,并且可以穩(wěn)定存放幾個(gè)月的時(shí)間。