石墨烯獨特的性能使其廣泛應用于印刷電子，涂料，能量存儲，分離膜，生物醫學和復合材料等領域；然而，石墨烯高效剝離成單層或幾層的納米片仍然是石墨烯實現基本研究和應用的一大瓶頸。
通常，石墨烯在純化和分散過程中，剝離方法需要大量的溶劑，這些溶劑通常很貴，處理時需要特別小心。而另一方面，長時間儲存或減少溶劑的量會使分散體不穩定并導致納米片的重新堆疊。這意味著大量的溶劑僅對應少量的石墨烯生產，在經濟上是不可行而且是環境不友好的。
有鑒于此，來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所的丁繼恒等人提出了一種簡單和環保的方法，可以以逐層的方式剝離石墨以在純水中生產GNPs。與溶劑分散體系中的傳統剝離不同，其中GNPs以高濃度的絮凝水溶液形式生產和儲存。
圖1 剝離過程示意圖
在這個典型的過程中，將天然石墨粉以10％的質量分數加入到蒸餾水中，然后將混合物超聲處理成均勻的形式。剝離過程涉及以下過程：高溫蒸汽導致石墨的卷曲和分層——水分子沿裂縫的插入——石墨邊緣和水分子的反應切割，或直接從母材剝落。這個過程是環保的，因為熱能很容易獲得，水是無毒的介質，不會在產品中留下任何雜質。
為了研究剝離后的形態變化，觀察了初始石墨粉末和GNPs的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，結果顯示如圖2所示。
圖2 初始石墨和GNPs的SEM圖像
與初始石墨（圖2a）相比，GNPs顯示出更小的微米尺寸和很少的層隨機重疊的扁平納米片狀形貌（圖2b）。正如我們所看到的，這些產品幾乎是完全透明的，呈現出超薄的本質。折疊片層的大小從幾百納米到幾微米不等。此外，從圖2c和d可以看出，具有納米形貌的GNPs與剝落六方氮化硼驚人地相似。這種現象表明，剝離的片層的彈性很高，厚度很小，另外可能具有不同于普通碳納米卷材的特性。
研究人員通過透射電子顯微鏡（TEM）進一步分析GNPs的形態。通過在云母基底上干燥石墨烯懸浮液的液滴來制備用于TEM的樣品。再通過使用JEM-2100F高分辨率透射電子顯微鏡在加速電壓200kV下獲得TEM圖像（圖3）。
圖3 GNPs的透射電子顯微鏡圖像
圖3a-c表明GNPs具有超薄，透明和重疊的平坦結構，這表明石墨完全剝落成非常薄的層。同時，通過觀察低分辨率TEM圖像確定的這些納米片的尺寸與SEM結果非常吻合。
研究人員通過原子力顯微鏡（AFM）進一步測量了GNPs的厚度和精細結構。用于AFM測試的樣品通過將相應的分散體沉積在萊西碳網格上并在50℃下真空干燥12小時來制備。
圖4 GNPs原子力顯微鏡（AFM）圖像
如圖4a-c所示，典型的原子力顯微鏡圖像表明，小板厚度約為2.24 nm，0.52 nm和1.76 nm，分別對應于六層，單層和四層GNPs。如圖4d所示，超過100片薄片的統計分析表明，> 25％的GNPs是單層（<1 nm厚），橫向尺寸范圍為0.5到2.5μm；有趣的是，在觀測區域內發現的GNPs不超過10層。
上述SEM和TEM結果由AFM觀察證實。透射電鏡和原子力顯微鏡結果表明，制備的GNPs主要是少量層狀的納米片，這與預期石墨與水蒸氣的處理導致剝離并從前體石墨中剝離成小板一致。
為了進一步表征獲得的GNPs的晶體結構和組成，我們使用X射線光電子能譜（XPS），傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜，結果如圖5所示。
圖5表征GNPs的化學組成
對于初始石墨，拉曼光譜具有與剝離的石墨烯相似的形狀，這表明用高溫蒸汽處理石墨可能破壞C—C鍵并在邊緣和缺陷位置產生親水性—OH和—COOH基團而不是在石墨烯上表面，由于其高親水性和薄片狀結構，GNPs容易分散在水中。另外，由于氣蝕是石墨烯在水中分散的關鍵因素，因此可以通過更多地加熱水并降低壓力來提高顆粒溶解產率。
綜述
綜合表征結果可以確定，采用高溫下水蒸氣剝離法所制備的石墨烯可以高度分散在水中，且不含任何添加劑，濃度為0.55 g·L -1在室溫下保質期可超過幾個月。這種方法具有步驟簡單、低成本、高質量、綠色無污染等優點，不僅能夠實現成本效益的工業和商業應用，而且還有助于需要水基實驗研究的發展，因此具有巨大潛力。
參考來源：《A water-based green approach to large-scale production of aqueous compatible graphene nanoplatelets》
