基于流场超声协效作用的石墨烯绿色高效制备方法及电化学构效关系研究

In recent years, the defects, impurities and the pollution problem rising from the traditional approach for synthesizing graphene materials has been raising increasing concerns. Adopting the green and effective liquid phase exfoliation (LPE) method to prepare high-quality graphene is one of the main direction of current research focus, which however, encounters the bottleneck of low yield and fragmentation of graphene. This project is aiming at establishing a brand new methodology to efficiently prepare high-quality graphene based on the synergistic effect of flow and sonication. We propose to utilize the platelet orientation of graphite formed by flow in combination with the direction-controlled sonication wave, selectively exposing the edges of graphite to sonication shock wave, to promote the graphite exfoliation and suppress the fragmentation of (002) basal plane simultaneously. Through this method, the efficient production of high-quality graphene will be achieved without the introduction of any oxidants/reductant. The laws that governs the microstructure of graphene (i.e. layer number, lateral size, defect etc.) will be revealed in conjunction with the controlling parameters of flow and sonication. Research for exploring the relationship between the microstructure of graphene anode and its lithium-storing electrochemical behavior was also planned. In summary, this project is aimed at developing novel theory and technology for the green and efficient production and application of high-quality graphene.

近年来石墨烯材料中的缺陷杂质以及其制备过程的污染问题引起了广泛的关注，采用绿色高效的液相剥离法制备高品质石墨烯是目前发展的主要方向之一，但石墨烯产率低、碎片化是制约该方法进一步发展应用的关键瓶颈问题。本项目拟开发一种基于流动场与超声辐射协效剥离作用的绿色高效制备高品质石墨烯的新方法。拟通过流场诱导石墨片取向排列和定向超声辐照相结合的方法，定向轰击石墨边缘以促进石墨剥离并抑制石墨（002）基面碎裂，在单纯使用溶剂而不引入氧化还原性试剂的情况下实现石墨烯的高效高质制备；建立流场-超声参量变化与石墨烯产物微结构（层数、面尺寸及缺陷等）之间的作用规律；并探索锂离子电池阳极石墨烯的微结构与储锂电化学行为间的构效关系。本项目旨在为高品质石墨烯的绿色高效制备及应用提供新理论、新方法。

石墨烯缺陷结构近年来受到广泛关注，阐明石墨烯缺陷结构的形成机制及影响、发展高品质石墨烯的可控制备及应用技术具有十分重要的理论和应用价值。本项目围绕高品质石墨烯高效制备及电化学应用为主题，以石墨烯材料高性能化为应用需求背景，针对常规氧化法或液相剥离法易引起缺陷结构形成的瓶颈问题，提出并验证了流场与超声协效剥离制备无缺陷的高品质石墨烯的创新思想，深入研究了高品质石墨烯的电化学构效关系，并拓展开发了高品质石墨烯纳米杂化结构的可控构筑及电极应用技术。..按照项目研究逐步纵深开展的顺序，本项目主要开展了以下几个方面的研究工作：（a）发明了新型的流场超声协效剥离制备高品质石墨烯的新技术，阐明了狭缝流场与超声辐照的协效作用下的石墨解理演变及石墨烯形成机制，成功报道合成了缺陷含量极低（IG: ID=14.3; O元素原子含量=1.3%）的高品质石墨烯；（b）深入研究解析了高品质石墨烯的微纳结构，阐明高品质石墨烯与常规氧还法石墨烯的结构和储锂机制差异，发现其诱导锂离子金属态沉积同时钝化电极界面的特殊功能；（c）创建了高品质石墨烯/硅纳米颗粒的原位插层复合方法，制备了具有表面偶联活性的硅碳负极材料，研制了高比量、长寿命的石墨烯-硅||钴酸锂全电池器件；（d）创制了高品质石墨烯-硫化亚锡/氧化亚锡二维异质结复合薄膜材料，发现了交替纳米薄膜促进苛刻工况下碱金属负极无枝晶循环现象，并深入研究了二维异质结薄膜中离子迁移及对碱金属界面钝化的相关机制。..本项目较为圆满地完成了预期研究目标，解决了几个行业领域共同关心的科学问题。相关研究结果经分别总结整理，陆续发表于ACS Nano, Advanced Energy Materials, Angewandte Chemie, Energy & Environmental Science等国际知名刊物上（项目负责人为第一/通讯作者，且本基金项目为第一标注的10篇），并申请中国发明专利6项。研究工作受到国内外学术媒体的多次转载加亮报道。受邀参加多次国际会议并做邀请/口头报告，并为Chemical Society Review，Advanced Energy Materials等刊物撰写碱金属电化学综述论文2篇。