连续CVD石墨烯 | 石墨薄膜直接化学转化为氧化石墨烯，无需剥离

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氧化石墨烯 (GO) 是一种很有前途的纳米材料，因为它具有通过官能团代和可控 d 间距的表面多功能性。然而，制备 GO 的最常见方法是基于强氧化剂的化学剥离，形成薄片分散体，用于形成聚集薄片的薄膜。然而，由于它们的不连续和无定形形态，这种 GO 薄膜具有较差的热、电子和机械性能。在此，我们报告了一种通过将化学气相沉积多层石墨烯 (CVD-MG) 直接转化为氧化石墨烯 (CVD-MGO) 来获得大而连续的 GO 多层膜的新型快速方法。我们的氧化程序使用在镍上生长的 CVD-MG (CVD-MG/Ni)，将温和的酸混合物与镍箔的机械支撑相结合，在不撕裂基面的情况下氧化 CVD-MG。XPS、EDX 和拉曼光谱证明 MG 完全转化为 CVD-MGO。XRD 还显示 CVD-MGO 的结晶度高于 Flake-GO 薄膜。通过减少连续的 CVD-MGO，我们获得了导电性还原的 GO (CVD-rGO)，其电导率达到了原始 CVD-MG 电导的 80%。我们将 CVD-MG 直接转化为 CVD-MGO，显示出改善 GO 传输特性和增强过滤和分子分离性能的巨大希望。达到原始 CVD-MG 电导的 80%。我们将 CVD-MG 直接转化为 CVD-MGO，显示出改善 GO 传输特性和增强过滤和分子分离性能的巨大希望。达到原始 CVD-MG 电导的 80%。我们将 CVD-MG 直接转化为 CVD-MGO 显示出改善 GO 传输特性和增强过滤和分子分离性能的巨大希望。

氧化石墨烯作为一种备受瞩目的纳米材料，其表面的可功能化修饰及层间距的可调控性，为诸多前沿应用带来了希望。然而，传统的制备方法——尤其是经典的Hummers法及其改进方法——依赖于使用强氧化剂对石墨进行化学剥离。这个过程会将石墨“拆解”成无数微小的氧化石墨烯碎片，再将这些碎片分散液组装成薄膜。这种薄膜本质上是无数碎片堆叠而成的集合体，其结构是非连续且无序的。这种先天不足导致了薄膜在热传导、电子传输和机械强度等方面的性能大打折扣，层与层之间的缝隙也成为离子或分子渗透过程中不受控制的“泄漏路径”。

为突破这一瓶颈，一项全新的制备策略被提出。该方法的核心在于“直接转化”而非“先破坏后组装”。研究人员利用化学气相沉积技术在镍箔上生长出高质量、大面积且结构连续的多层石墨烯薄膜。关键的一步是，他们将附着在镍箔上的整片多层石墨烯直接浸入温和的酸性氧化溶液中。在这里，镍箔不仅作为生长基底，更在氧化过程中扮演了至关重要的“机械支撑”角色。它像一副坚固的骨架，牢牢固定住石墨烯的碳层平面，使其在氧化剂插入层间、引入含氧官能团的同时，避免了碳层平面因过度氧化和应力而发生的撕裂与剥离。最终，整片连续的多层石墨烯被完整地转化为一片同样保持连续层状结构的多层氧化石墨烯薄膜，实现了从“CVD-MG”到“CVD-MGO”的原位转化。

一系列严谨的表征证实了这种直接转化方法的有效性与优越性。X射线光电子能谱和拉曼光谱清晰显示了大量含氧官能团的成功引入，符合氧化石墨烯的特征。更重要的是，扫描电镜和X射线衍射分析表明，与传统碎片堆叠而成的氧化石墨烯薄膜相比，这种直接转化得到的薄膜具有更规整的层状结构和更大的晶粒尺寸，其结晶度显著提高。这直接印证了其结构的连续性与有序性。

这种结构上的优势直接转化为性能上的提升，尤其在电学性能上体现得淋漓尽致。未经氧化的原始多层石墨烯薄膜具有优异的导电性。经过氧化后，转化为CVD-MGO的薄膜电阻急剧上升，变得不导电，这符合氧化石墨烯绝缘的特性。随后，研究人员对这片连续的氧化石墨烯薄膜进行化学和热还原，将其转化回还原氧化石墨烯薄膜。令人惊喜的是，还原后的薄膜电导率恢复到了原始多层石墨烯的约80%，这一恢复比例相当高。许多研究为了追求高电导率，往往需要对还原氧化石墨烯进行超过1000°C的高温退火以修复破碎的碳骨架。而本研究仅在850°C的还原温度下就实现了高电导率，这主要归功于薄膜在氧化和还原全过程中，其碳层的连续性和完整性得到了最大程度的保持，无需从零开始重建导电通路。

这项名为“CVD-Hummers”的新方法，其意义在于它从根本上改变了氧化石墨烯薄膜的制备范式。它不再产出需要重新组装的碎片，而是直接生产出具有先天结构完整性的薄膜。这种连续、有序的薄膜结构，有望在需要高效离子/电子传输的领域，如高性能电池隔膜、高效过滤与分离膜、高导热界面材料等方面，发挥出超越传统碎片薄膜的潜力。同时，该方法与可重复使用的镍箔基底相结合，也为未来大规模制备高质量氧化石墨烯功能薄膜提供了一条可行的新路径。

参考消息：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c20015