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石墨烯往事(七)重新发现——电化学法加工石墨烯材料(2)

已有 4786 次阅读 2015-4-1 07:38 |个人分类:讲故事|系统分类:科研笔记|关键词:石墨烯,,往事,,电化学| 往事, 石墨烯, 电化学

下面要介绍的应该是我博士论文部分的收尾工作了,虽然是在2013年初就有相关想法了,可是最后面临着毕业后工作的纠结以及选择时内心的斗争,各种效率低下,所以磨蹭到了毕业。这段经历也提醒各位重要的工作一定要趁早去执行,千万不要拖到毕业阶段,否则那时就难以静下心做研究了。

(名词解释:文中的GO指氧化石墨烯)

前面提到的在做Zn-GO电池的过程中,我们只需要电子就可以还原氧化石墨烯,由于存在着类似多米诺效应的扩散机制,所以通过一个导电边界就可以实现连续的氧化石墨烯的还原。这让我很容易想到直接用电化学的方法来还原氧化石墨烯结构材料。在之前的电化学还原氧化石墨烯的工作中,有不少工作报道了采用电极的导电一面来还原氧化石墨烯薄膜的工作,这就让读者产生一种错觉,那就是要还原多大面积的氧化石墨烯薄膜最好有相对应尺寸的面电极。事实上,Ruoff等人在一篇Review中就提到过这么一段话“This route appears to be extremely (and yet mild) at reducing theextant oxide functionality, and it precludes the need for hazardous chemicalreactants and their byproducts, electrochemical reduction has not beendemonstrated on a large sample. The deposition of reduced graphene oxide ontothe electrodes is likely to render bulk electrochemical reduction difficult ona preparative scale. Scalability is a fundamental requirement of a usefulsynthetic protocol if graphene is to be broadly utilized.”简单地讲就是说电化学法虽然高效又环保,但是需要把氧化石墨烯覆盖在电极表面上,限制了大规模应用这种技术的可能。(电极面积有多大,石墨烯面积才有多大。)

可是事情的真相不是这样的!根据我之前对这个过程的理解(参见石墨烯往事(七)重新发现——Zn-GO原电池的故事(1)),通过导电的点或者是线的接触,实际上是可以实现整个GO面的电化学还原的,这个实验很好操作。我们简单地设计了点、线、面接触还原GO薄膜的实验组,发现电极的面接触并不比其他两种接触更高效。这里面主要由两方面原因,首先实际应用过程中的面接触不可能是两个理想的平面,往往是混有线接触和点接触;其次也是最主要的因素,氧化石墨烯还原过程中除了电子传递外还需要涉及到离子扩散传递过程,面接触实际上是不利于GO薄膜接触面内离子扩散的。

想通了这一点之后,眼前就豁然开朗了,很多类型的GO结构材料都可以通过点或者是线的接触达到高效的电化学还原效果。比如说,我当时在眼镜片的曲面上涂了一层GO薄膜,可以通过边缘与银丝的点接触就能将整个曲面上还原成半透明的还原石墨烯;再比如,我们可以直接将银丝穿插绕缠在浸渍了GO的海绵上,就可以电化学还原出有弹性性的导电石墨烯海绵了。这种方法在薄膜材料的加工尺度上很容易就能够达到分米以及米的级别,只要电解池够大放得下就行。

事实上,电化学还原的优势确实很明显,室温下就行,不需要加热;中性电解质就行,不需要强酸强碱或者是剧毒还原剂;并且还原出来的石墨烯电导率竟然可以和浓HI的还原效果相近,超过20000S/m。因此这种方法特别适合于化学稳定性差的石墨烯复合材料加工,比如说生物蛋白或者是纤维素之类的材料。


这个工作对我其实也挺有启示的,很多人认为电化学的方法2010年附近就已经被人报道了,也就很难在这个上面做工作了。我在前面三维石墨烯工作部分曾经提到过概念对于一个工作在制高点上的重要性,这里我需要提一点,提出概念和真正解决问题是两码事,很多业余的新闻报道就是没搞清楚两种情况而闹出笑话。

而对于我们这些搞科研的人来说,新概念毕竟为数有限,运气好能遇到,更多时候摆在我们面前的就是在前人研究的基础上再上一个台阶。什么意思呢?

就是说,提出概念表明有一条路可以走,但是中间必然有很多细节问题需要克服,甚至于某些细节会成为一个领域的拦路荆棘。这时候,咱就好比开荒的,需要清掉路上的一株又一株荆棘,而在此过程中往往不经意间往旁边一瞥,发现可以换条路走嘛?根本就不像自己想的那样狭窄,路可以很宽,甚至有很多条。而这时候,你的局面也就打开了,眼前豁然开朗。当初认为的那些非要不可的实验条件,也只是其中的某一条崎岖小路而已,而我们已看到一条康庄大道。

 

(未完待续.......)




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4 陈楷翰 徐晓 zhoutong Allanmu

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