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氧化石墨烯不溶于水之谜
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-02-27 10:09

图片说明:左图为溶于水的氧化石墨烯(graphene oxide,GO)薄膜,右图为被污染的不溶于水的氧化石墨烯薄膜。图片来源:美国西北大学(Northwestern University)
 
日前,美国西北大学(Northwestern University)领导的科研团队解决了困扰材料科学家多年的问题,而令人吃惊的是他们所使用的解决方法仅是一些基础化学知识。
 
像很多科学家一样,Jiaxing Huang不明白氧化石墨烯薄膜在水中稳定性高的原因。当氧化石墨烯薄膜被浸入水中时,每张薄膜都会带负电并相互排斥,这应该导致薄膜分解。但是早期论文提出,氧化石墨烯薄膜不但没有分解,反而非常稳定。
 
麦考密克工程学院(McCormick School of Engineering)的材料科学和工程学副教授Huang说:“这显然不合理,但很多科学家都不明白这个现象的原因。”氧化石墨烯是石墨氧化的产物,常被用来制造石墨烯。石墨烯是单原子层厚度的碳材料,它的结构非常牢固,重量很轻,在电子产品和能量存储方面有很大潜在价值。然而,过去三年中科学家开始对氧化石墨烯感兴趣,部分原因是它在分子分离应用上的潜在价值。
 
经过多年对氧化石墨烯的研究,Huang发现它不溶于水是因为无意中被掺杂了一种常见污染物。制造氧化石墨烯薄膜时,很多科学家通过多孔阳极氧化铝滤片给每张薄膜加酸性分散剂,这种滤片在多种纳米材料制备薄膜时被广泛应用。Huang的团队发现在过滤时,铝制滤片会被酸液腐蚀并释放出大量铝离子Al3+。这些带正电的离子键与带负电的氧化石墨烯薄膜会使薄膜十分稳定。
 
Huang说:“我们用基础无机化学知识就解开了这个谜团。现在我们知道了氧化石墨烯薄膜确实是溶于水的,以前发现的现象只是因为污染。”
 
其它多价金属离子,比如氧化石墨烯合成的副产品锰,也能使薄膜交联。
 
Huang的研究成果发表于2015年1月5日出版的Nature Chemistry杂志上,题为“On the origin of stability of graphene-oxide membranes in water”。
 
Huang的研究还发现氧化石墨烯薄膜不像研究人员想象的那样牢固。铝离子提高了薄膜的强度,而没有铝离子,薄膜的强度会下降3到4倍。他说:“这个研究给使用氧化铝滤片的研究人员敲响了警钟,大家在材料科学和生物学的很多领域都用它进行简单的制备工作,现在我们发现它并不是那么干净。”(科学之家,译审:JY Chen)


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