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)用前景而越來越受到人們的重視。由于存在大量的含氧官能團(tuán)，氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，且易于組裝和功能化，因此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。

目前，氧化石墨烯主要是通過剝離氧化石墨來進(jìn)行制備。而氧化石墨的制備迄今已有150多年的歷史，無論是最早的Brodie方法(1859年)，還是后來發(fā)展起來的Staudenmaier和Hummers方法，均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)來實(shí)現(xiàn)，不僅存在爆炸的風(fēng)險，而且污染嚴(yán)重，反應(yīng)周期長。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)最終會產(chǎn)生超過1000質(zhì)量單位的酸性廢水。并且，高活性的Mn2O7中間產(chǎn)物在高溫下可能會發(fā)生爆炸，氧化反應(yīng)的完成需要數(shù)小時到上百小時。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(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多年來通過強(qiáng)氧化劑對石墨進(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。該方法首先在濃硫酸中將石墨插層，然后在稀硫酸中對插層石墨進(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)。研究還發(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。該方法有效解決了氧化石墨烯制備長期面臨的爆炸危險、環(huán)境污染及反應(yīng)周期長的問題，有望大幅降低制備成本，促進(jìn)氧化石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上，相關(guān)技術(shù)已申請中國發(fā)明專利和PCT專利。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、重大項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目等的資助。

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