開發(fā)低成本、環(huán)保型石墨烯制備方法是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵。電化學(xué)剝離法是一種新興的石墨烯制備方法，但目前仍局限于燒杯級研究，缺乏大規(guī)模生產(chǎn)策略/設(shè)備。廣西師范大學(xué)Youguo Huang、Qingyu Li、Juantao Jiang等研究人員在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊發(fā)表名為“A Continuous and Safe Strategy for Large-Scale Graphene Production by Electrochemical Exfoliation–Flexible Encapsulation Strategy and Array Electrolyzer”的論文，研究提出了一種柔性封裝策略來設(shè)計(jì)陽極/陰極電極，并開發(fā)了一種陣列電解槽來確保石墨烯的連續(xù)安全生產(chǎn)，以進(jìn)行中試規(guī)模驗(yàn)證。
柔性封裝策略可有效提高剝離效率和石墨烯產(chǎn)率，分別達(dá)到 98.6% 和 39.6%（層數(shù)≤7，97%），低 ID/IG 比為 0.22，高 C/O 比為 16.9。在放大生產(chǎn)過程中，由于高溫促進(jìn)了羥基自由基的形成和石墨尺寸增大導(dǎo)致的尖端效應(yīng)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的碳腐蝕現(xiàn)象。H2O→OH 路線和 SO42- → S2O82- → SO4– → OH 路線都促進(jìn)了羥基自由基的形成并導(dǎo)致碳腐蝕。當(dāng)電解液溫度從 70 ℃ 降到 30 ℃ 時(shí)，平均碳腐蝕率從 75% 顯著下降到 46.7%。這項(xiàng)工作中的石墨烯電化學(xué)剝離規(guī)?；a(chǎn)證明了柔性封裝策略和陣列電解槽的可行性，為進(jìn)一步的大規(guī)模應(yīng)用展示了巨大的潛力。

圖1.石墨陽極電極、陰極電極和陣列電解槽的示意圖，用于通過電化學(xué)剝離放大生產(chǎn)石墨烯。

圖2. (a)裸陰極/陽極、(c)封裝陽極、(e)封裝陰極/陽極剝離后的光學(xué)圖像以及相應(yīng)的（b、d、f）電解質(zhì)；(g)電解質(zhì)溫度曲線，(h)電流隨時(shí)間曲線；以及(i)不同電極的剝離效率和(j)石墨烯產(chǎn)率。

圖3. (a)石墨烯產(chǎn)品的XRD圖譜，(b)拉曼光譜，(c) FT-IR光譜，(d) XPS高分辨率c1s光譜，分別來自裸陰極/陽極、封裝陽極和封裝陰極/陽極電極。

 

圖4、(a)實(shí)時(shí)電壓曲線，(b)不同剝離時(shí)間下石墨箔表面接觸角，(c)實(shí)時(shí)電流曲線，(d)剝離效率和石墨烯產(chǎn)率，(e)石墨烯XRD譜，(f)不同輸入電流下的實(shí)時(shí)電解質(zhì)溫度。

圖5. (a)剝離效率，(b)石墨烯產(chǎn)率，(c) XRD圖譜，(d)不同電極間距下石墨烯的XPS巡天光譜。?

圖6. (a)石墨烯納米片的SEM圖像和(b)石墨烯納米片的TEM圖像，(c)石墨烯納米片的AFM圖像和相應(yīng)的直方圖(d)厚度分布和(e)尺寸分布，(f)氧元素分析儀測量的石墨烯氧含量，(g)石墨烯薄膜的SEM圖，(h)石墨烯的拉曼光譜，(i)石墨烯薄膜的電導(dǎo)率。

圖7. (a)單陽極電解槽和(b)五陽極陣列電解槽中不控溫的電解液溫度，(c)建立穩(wěn)定的電化學(xué)連續(xù)剝落后陣列電解槽中石墨電極的碳腐蝕情況，(d)控溫后五陽極陣列電解槽中電解液溫度和碳腐蝕情況，(f)隨著反應(yīng)溫度的升高，水分解和Na2S2O8生成的反應(yīng)速率常數(shù)。(g)剝落和碳腐蝕機(jī)理示意圖。

圖8. (a)小、大尺寸石墨箔的光學(xué)照片及尺寸信息，(b)小尺寸石墨箔在不同溫度下的碳腐蝕情況，(c)石墨電極剝落后的邊緣和(d)石墨電極面內(nèi)表面的SEM圖像，(e)尖端效應(yīng)對碳腐蝕的機(jī)理示意圖。

總之，本文提出了一種靈活的封裝策略來制備陽極/陰極電極，并設(shè)計(jì)了一種陣列電解槽，用于通過電化學(xué)剝離法按比例連續(xù)安全地生產(chǎn)石墨烯。封裝策略有助于提高剝離效率和石墨烯產(chǎn)率，裸陰極/陽極的剝離效率和石墨烯產(chǎn)率分別為 71.5%和 35.5%，封裝陰極/陽極的剝離效率和石墨烯產(chǎn)率分別為 98.6%和 39.6%，石墨烯層≤7（97%），C/O 比為 16.9，ID/IG 比為 0.22。此外，剝離產(chǎn)物可被限制在可膨脹過濾袋中，氫氣副產(chǎn)物可被限制在離子交換膜中，這兩者都確保了放大生產(chǎn)中的連續(xù)安全運(yùn)行。

在電化學(xué)剝離放大生產(chǎn)過程中，除了通過插層-膨脹-剝離生產(chǎn)石墨烯外，還存在通過水分解途徑和 SO42- 氧化途徑產(chǎn)生的嚴(yán)重碳腐蝕，這與電解液溫度密切相關(guān)。在沒有電解液冷卻的情況下，電解液溫度高達(dá) 70 ℃，石墨電極的平均碳腐蝕率為 75%。當(dāng)電解液溫度降低到 30 ℃ 以下時(shí)，石墨電極的碳腐蝕率大幅下降至約 46.7%。此外，石墨尺寸增大引起的邊緣/尖端效應(yīng)也會(huì)造成碳腐蝕?？傊@項(xiàng)工作中的靈活封裝策略和陣列電解槽為通過電化學(xué)剝離法大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯提供了一種連續(xù)、安全的策略，在進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

原文：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c07558