Nature：一种大规模生产水溶性石墨烯纳米片的绿色方法

石墨烯独特的性能使其广泛应用于印刷电子，涂料，能量存储，分离膜，生物医学和复合材料等领域；然而，石墨烯高效剥离成单层或几层的纳米片仍然是石墨烯实现基本研究和应用的一大瓶颈。

通常，石墨烯在纯化和分散过程中，剥离方法需要大量的溶剂，这些溶剂通常很贵，处理时需要特别小心。而另一方面，长时间储存或减少溶剂的量会使分散体不稳定并导致纳米片的重新堆叠。这意味着大量的溶剂仅对应少量的石墨烯生产，在经济上是不可行而且是环境不友好的。

有鉴于此，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的丁继恒等人提出了一种简单和环保的方法，可以以逐层的方式剥离石墨以在纯水中生产GNPs。与溶剂分散体系中的传统剥离不同，其中GNPs以高浓度的絮凝水溶液形式生产和储存。

图1 剥离过程示意图

在这个典型的过程中，将天然石墨粉以10％的质量分数加入到蒸馏水中，然后将混合物超声处理成均匀的形式。剥离过程涉及以下过程：高温蒸汽导致石墨的卷曲和分层——水分子沿裂缝的插入——石墨边缘和水分子的反应切割，或直接从母材剥落。这个过程是环保的，因为热能很容易获得，水是无毒的介质，不会在产品中留下任何杂质。

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扫描电子显微镜（SEM）表征GNPs

为了研究剥离后的形态变化，观察了初始石墨粉末和GNPs的扫描电子显微镜（SEM）图像，结果显示如图2所示。

图2 初始石墨和GNPs的SEM图像

与初始石墨（图2a）相比，GNPs显示出更小的微米尺寸和很少的层随机重叠的扁平纳米片状形貌（图2b）。正如我们所看到的，这些产品几乎是完全透明的，呈现出超薄的本质。折叠片层的大小从几百纳米到几微米不等。此外，从图2c和d可以看出，具有纳米形貌的GNPs与剥落六方氮化硼惊人地相似。这种现象表明，剥离的片层的弹性很高，厚度很小，另外可能具有不同于普通碳纳米卷材的特性。

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透射电子显微镜（TEM）表征GNPs

研究人员通过透射电子显微镜（TEM）进一步分析GNPs的形态。通过在云母基底上干燥石墨烯悬浮液的液滴来制备用于TEM的样品。再通过使用JEM-2100F高分辨率透射电子显微镜在加速电压200kV下获得TEM图像（图3）。

图3 GNPs的透射电子显微镜图像

图3a-c表明GNPs具有超薄，透明和重叠的平坦结构，这表明石墨完全剥落成非常薄的层。同时，通过观察低分辨率TEM图像确定的这些纳米片的尺寸与SEM结果非常吻合。

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原子力显微镜（AFM）表征GNPs

研究人员通过原子力显微镜（AFM）进一步测量了GNPs的厚度和精细结构。用于AFM测试的样品通过将相应的分散体沉积在莱西碳网格上并在50℃下真空干燥12小时来制备。

图4 GNPs原子力显微镜（AFM）图像

如图4a-c所示，典型的原子力显微镜图像表明，小板厚度约为2.24 nm，0.52 nm和1.76 nm，分别对应于六层，单层和四层GNPs。如图4d所示，超过100片薄片的统计分析表明，> 25％的GNPs是单层（<1 nm厚），横向尺寸范围为0.5到2.5μm；有趣的是，在观测区域内发现的GNPs不超过10层。

上述SEM和TEM结果由AFM观察证实。透射电镜和原子力显微镜结果表明，制备的GNPs主要是少量层状的纳米片，这与预期石墨与水蒸气的处理导致剥离并从前体石墨中剥离成小板一致。

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XPS、FTIR、拉曼光谱表征GNPs

为了进一步表征获得的GNPs的晶体结构和组成，我们使用X射线光电子能谱（XPS），傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱，结果如图5所示。

图5表征GNPs的化学组成

对于初始石墨，拉曼光谱具有与剥离的石墨烯相似的形状，这表明用高温蒸汽处理石墨可能破坏C—C键并在边缘和缺陷位置产生亲水性—OH和—COOH基团而不是在石墨烯上表面，由于其高亲水性和薄片状结构，GNPs容易分散在水中。另外，由于气蚀是石墨烯在水中分散的关键因素，因此可以通过更多地加热水并降低压力来提高颗粒溶解产率。

综述

综合表征结果可以确定，采用高温下水蒸气剥离法所制备的石墨烯可以高度分散在水中，且不含任何添加剂，浓度为0.55 g·L ^-1在室温下保质期可超过几个月。这种方法具有步骤简单、低成本、高质量、绿色无污染等优点，不仅能够实现成本效益的工业和商业应用，而且还有助于需要水基实验研究的发展，因此具有巨大潜力。

参考来源：《A water-based green approach to large-scale production of aqueous compatible graphene nanoplatelets》