石墨烯氧化物（GO）作為一種重要的材料，因其優(yōu)異的分散性、化學(xué)反應(yīng)性和與其他材料的兼容性，廣泛應(yīng)用于水處理、能源存儲(chǔ)、熱管理、功能復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。特別是在智能手機(jī)、5G通信系統(tǒng)等高科技領(lǐng)域，GO的需求越來(lái)越大。然而，現(xiàn)有的GO合成方法通常存在高成本、低效率、對(duì)環(huán)境有污染等問(wèn)題，因此，發(fā)展一種低成本、高效率、環(huán)保的GO合成方法變得非常重要。

GO合成的挑戰(zhàn)與現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題

目前，Hummers法是最常見的石墨烯氧化物合成方法。這種方法使用強(qiáng)氧化劑（如高錳酸鉀和硫酸）將石墨氧化成石墨烯氧化物。然而，這種方法不僅反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，產(chǎn)生大量有害氣體。更重要的是，使用這種方法合成的GO產(chǎn)率和質(zhì)量都難以控制，氧化程度不均勻，無(wú)法精確控制GO的層數(shù)和尺寸，限制了它在一些高端應(yīng)用中的發(fā)揮。

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員開始探索更為綠色、環(huán)保且高效的合成方法。電化學(xué)氧化作為一種新興的合成方法，因其反應(yīng)速率快、能效高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。然而，電化學(xué)氧化也有一些難題，其中最重要的問(wèn)題就是氧化不均勻，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，石墨烯氧化物的產(chǎn)率和單層比例難以保證。

水在電化學(xué)氧化中的作用

在電化學(xué)氧化過(guò)程中，水起著至關(guān)重要的作用。水不僅是電解過(guò)程的必要成分，還通過(guò)水分子產(chǎn)生氧自由基，幫助實(shí)現(xiàn)石墨的氧化。另一方面，水分子進(jìn)入石墨烯插層化合物（GIC）后，會(huì)引發(fā)去插層反應(yīng)。去插層反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致GIC的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響氧化過(guò)程的均勻性。

具體來(lái)說(shuō)，水分子會(huì)在石墨烯插層化合物的層間空間中擴(kuò)散，導(dǎo)致這些層間的插層物質(zhì)被“擠出”或“溶解”，從而改變GIC的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程如果控制不好，可能會(huì)導(dǎo)致部分GIC不穩(wěn)定，進(jìn)而影響氧化反應(yīng)的均勻性，最終產(chǎn)生不一致的GO產(chǎn)品。這也是電化學(xué)氧化法在實(shí)際應(yīng)用中的主要問(wèn)題之一，尤其是在濕潤(rùn)環(huán)境下，水分?jǐn)U散得太快，去插層反應(yīng)往往會(huì)發(fā)生得過(guò)于迅速，導(dǎo)致氧化不均勻，最終影響GO的產(chǎn)率和質(zhì)量。

液膜電解法：精準(zhǔn)控制氧化過(guò)程

為了克服傳統(tǒng)電化學(xué)氧化法中的非均勻氧化問(wèn)題，成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法——液膜電解法（LME）。這一方法的核心是控制水在電解液中的擴(kuò)散速度，使氧化過(guò)程更加均勻。液膜電解法通過(guò)一種特殊的液膜結(jié)構(gòu)，將電解液分成多個(gè)層次，從而有效控制水的擴(kuò)散。 液膜電解法的優(yōu)勢(shì)在于，它可以精確調(diào)節(jié)GIC和電解液的接觸面積，避免水分過(guò)多進(jìn)入電解反應(yīng)區(qū)，影響氧化過(guò)程。通過(guò)控制水的擴(kuò)散，研究人員能夠保持氧化和去插層反應(yīng)的平衡，從而實(shí)現(xiàn)均勻的石墨烯氧化物合成。實(shí)驗(yàn)表明，液膜電解法合成的GO不僅產(chǎn)率高，而且超過(guò)99%的GO都是單層結(jié)構(gòu)，使得GO的質(zhì)量和性能得到了顯著提升。

此外，液膜電解法還能精確調(diào)節(jié)GO的氧化程度和層數(shù)。通過(guò)調(diào)整電解液的濃度、電壓和水的擴(kuò)散速度，研究人員能夠根據(jù)不同應(yīng)用需求，控制GO的尺寸、氧化程度以及表面性質(zhì)。這使得液膜電解法在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

工業(yè)化前景

為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，研究人員開發(fā)了基于液膜電解法的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。與傳統(tǒng)的Hummers法相比，液膜電解法的優(yōu)勢(shì)非常明顯：首先，生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)方法的1/7；其次，生產(chǎn)效率大大提高，可以在短時(shí)間內(nèi)合成大量高質(zhì)量的GO；最后，液膜電解法沒有使用任何有害化學(xué)物質(zhì)，環(huán)保性和安全性也顯著提高。 在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，液膜電解法的設(shè)備能夠持續(xù)不斷地生產(chǎn)GO，生產(chǎn)過(guò)程中不僅保持了高單層比例，還確保了GO的氧化程度達(dá)到了理想水平。這意味著，液膜電解法不僅能在短時(shí)間內(nèi)合成出大量GO，還能保證每一批GO的質(zhì)量穩(wěn)定。

圖. LME工業(yè)化生產(chǎn)均勻GO。a.工業(yè)LME設(shè)備照片。b. 工業(yè)LME設(shè)備中使用的石墨紙卷。c. 工業(yè)LME設(shè)備生產(chǎn)的氧化石墨紙，呈現(xiàn)出明顯的黃色。d. 工業(yè)LME設(shè)備在3天內(nèi)生產(chǎn)了500公斤GO分散體 (1.2 wt.%)。

GO的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1. 能源存儲(chǔ)：高性能超級(jí)電容器與鋰電池

GO由于其豐富的氧官能團(tuán)，能在水溶液中形成穩(wěn)定的分散液，并可作為電極材料提高導(dǎo)電性。鋰離子電池：GO可硅作為耐久材料的包覆層，提高循環(huán)穩(wěn)定性，減少體積膨脹問(wèn)題。超級(jí)電容器：GO可以作為活性材料，提升電極的比電容，提高能量存儲(chǔ)能力。隨著新能源市場(chǎng)的發(fā)展，GO在電池行業(yè)的應(yīng)用前景巨大，尤其是硅碳和高能量密度電池領(lǐng)域。

2. 電子與柔性設(shè)備

GO具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能，并且可以通過(guò)還原處理進(jìn)一步提高電子遷移率。透明導(dǎo)電膜：可替代ITO，獲取觸摸屏、OLED顯示器、太陽(yáng)能電池等。柔性電子：GO的可拉伸性和導(dǎo)電性成為柔性傳感器和可穿戴設(shè)備的理想材料。印刷電子：GO水性分散液可用于噴墨、3D打印制造電子電路，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。

3. 環(huán)境治理與水處理

GO具有極高的比表面積和豐富的含氧功能團(tuán)，成為高效的吸附材料。重金屬離子：GO能夠高效吸附水中的鉛、汞、汞等重金屬離子，廢水處理。海水淡化：GO基膜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水的過(guò)濾，提高海水淡化效率。空氣凈化器：GO涂層可用于空氣過(guò)濾設(shè)備，吸附有害氣體和細(xì)顆粒物。

與AI結(jié)合

隨著人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)的飛速發(fā)展，液膜電解法與這些先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，能夠?yàn)镚O的合成提供更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。AI可以幫助優(yōu)化電解液的成分、電壓、反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，從而進(jìn)一步提升GO的合成效率和質(zhì)量。通過(guò)AI技術(shù)，研究人員還可以預(yù)測(cè)GO的性能，并根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行定制化合成。 例如，在電子設(shè)備、智能傳感器等領(lǐng)域，GO的結(jié)構(gòu)和性能要求非常高，傳統(tǒng)方法很難滿足這些精確的需求。而結(jié)合AI技術(shù)后，液膜電解法能夠更加靈活地調(diào)整GO的結(jié)構(gòu)和性能，確保其滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。 綜上所述，液膜電解法（LME）通過(guò)精確控制水的擴(kuò)散速率，有效解決了傳統(tǒng)電化學(xué)氧化法中的非均勻氧化問(wèn)題。該方法不僅提高了GO的產(chǎn)率和單層比例，還能夠精確調(diào)節(jié)GO的氧化程度和尺寸，滿足不同應(yīng)用的需求。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和AI技術(shù)的結(jié)合，液膜電解法將為GO的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用開辟新的前景。 GO作為一種重要的材料，未來(lái)將廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、能源存儲(chǔ)、智能傳感器、環(huán)保材料等多個(gè)領(lǐng)域。液膜電解法的成功研發(fā)，不僅推動(dòng)了GO的合成技術(shù)進(jìn)步，還為石墨烯材料的應(yīng)用帶來(lái)了更大的空間，在未來(lái)的科技發(fā)展中將發(fā)揮更加重要的作用。