多孔石墨烯——片層具有納米級(jí)孔隙，一般通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行研究。石墨烯片層的孔隙有助于提高物質(zhì)傳遞，在許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。迄今為止，多孔石墨烯的制備方法，包括通過(guò)芳基-芳基偶聯(lián)反應(yīng)的自下而上的化學(xué)方法和由高能量的技術(shù)方法，一般都是在基底上以有限的產(chǎn)率制備得到。
國(guó)家納米科學(xué)中心的韓寶航研究員課題組發(fā)展了一種可放大且適用范圍廣的制備方法(見(jiàn)圖1)，將石墨烯氧化物和金屬氧酸鹽或多金屬氧酸鹽在高溫條件下產(chǎn)生石墨烯與金屬氧化物納米顆粒，兩者之間發(fā)生類(lèi)似于焦炭高爐煉鐵過(guò)程中的碳熱還原反應(yīng)，金屬氧化物被石墨烯上的碳還原成金屬或形成金屬碳化物，而參與碳熱還原反應(yīng)的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式離開(kāi)石墨烯片層，從而在石墨烯片層上刻蝕出納米級(jí)的孔隙，即形成多孔石墨烯(見(jiàn)圖2)。該過(guò)程在掃描電子顯微鏡中可以通過(guò)電子束的加熱輔助而觀察到碳熱刻蝕形成孔隙的過(guò)程(見(jiàn)圖3)。同時(shí)多孔石墨烯的孔隙大小和/或氮摻雜可以通過(guò)改變金屬氧酸鹽或多金屬氧酸鹽的用量，或使用含有銨離子的金屬氧酸鹽或多金屬氧酸鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)。該研究使用了多種金屬氧酸鹽或多金屬氧酸鹽制備了多孔石墨烯，表明碳熱還原反應(yīng)刻蝕制備多孔石墨烯的方法路線適用范圍廣，同時(shí)制備量可以放大并不受方法的限制。該研究工作由碩博研究生周鼎等人合作完成。該研究成果已于2014年9月2日在Nature Communications 期刊上發(fā)表。
上述研究工作得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
圖1. 多孔石墨烯的制備示意圖
圖2. 多孔石墨烯的掃描電子顯微鏡圖像(a 側(cè)視圖；b 俯視圖)
圖3. 通過(guò)碳熱還原反應(yīng)刻蝕形成多孔石墨烯示意圖
