石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械性能,在能源、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)石墨烯制備方法如機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積等存在成本高、產(chǎn)量低或環(huán)境不友好等問題。近年來,亞臨界水熱/溶劑熱處理法作為一種綠色、高效的石墨烯合成與功能化技術(shù),受到廣泛關(guān)注。本文基于Advanced Materials的最新綜述,系統(tǒng)總結(jié)該方法的最新研究進(jìn)展。
亞臨界水熱/溶劑熱處理法通常在溫和的溫度(100–374°C)和壓力(低于水的臨界點(diǎn))條件下進(jìn)行,利用水或有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì),實(shí)現(xiàn)石墨氧化物的還原、摻雜、功能化或直接由前驅(qū)體制備石墨烯。與超臨界流體技術(shù)相比,該方法操作條件更溫和,設(shè)備要求低,且易于規(guī)模化。
在石墨烯制備方面,亞臨界水熱法已成功用于高效還原氧化石墨烯,所得產(chǎn)物具有較高的碳氧比和導(dǎo)電性。例如,以水為溶劑,在200–250°C下處理氧化石墨烯懸浮液,可得到缺陷較少、電導(dǎo)率接近1000 S/m的石墨烯薄膜。通過調(diào)控溶劑組成(如添加醇類、氨水等),可實(shí)現(xiàn)氮、硫等雜原子的摻雜,顯著提升石墨烯的電催化性能。
在功能化應(yīng)用方面,亞臨界溶劑處理為石墨烯復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。研究人員通過在反應(yīng)體系中引入聚合物、金屬納米粒子或生物分子,一步法合成了石墨烯/聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料、石墨烯負(fù)載催化劑及生物傳感器等。這些材料在柔性電子、能源存儲(chǔ)及生物檢測(cè)中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。
盡管亞臨界水熱/溶劑熱處理法在石墨烯材料制備中取得顯著進(jìn)展,仍面臨一些挑戰(zhàn),如反應(yīng)機(jī)理尚不明確、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可控性有待提高、大規(guī)模生產(chǎn)中的能耗與成本優(yōu)化等。未來研究可聚焦于原位表征技術(shù)的應(yīng)用、溶劑-前驅(qū)體相互作用的深入解析,以及連續(xù)流反應(yīng)器的開發(fā),以推動(dòng)該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
亞臨界水熱/溶劑熱處理法為石墨烯材料的綠色、可控制備提供了有效途徑,隨著基礎(chǔ)研究和工藝優(yōu)化的不斷深入,有望在多功能石墨烯材料領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。