他，中科院「国家杰青/科技创新领军人才」，最新Nature子刊！
学术
2025-01-19 15:00
广东
随着石墨烯产业的快速发展，低成本可持续合成单层氧化石墨烯（GO）在海水淡化、热管理、储能和功能复合材料等领域的应用越来越重要。与传统的化学氧化方法相比，石墨层间化合物（GIC）的水电解氧化在环保、安全、高效等方面具有显著的优势，但仍然存在氧化不均匀的问题，通常情况下约50%单层的产率约为50%。2025年1月16日，中国科学院金属研究所任文才研究员和裴嵩峰研究员团队在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide》的研究论文，Jiaqi Guo和裴嵩峰研究员为论文共同第一作者，任文才研究员和裴嵩峰研究员教授为论文共同通讯作者。任文才，中国科学院金属研究所研究员，博士生导师，国家杰青，国家级人才计划科技创新领军人才。1997年在东北大学获学士学位，2000年在东北大学获硕士学位，2005年在中国科学院金属研究所获博士学位，2009-2010年在英国曼彻斯特大学担任访问学者。任文才研究员的研究领域包括石墨烯等二维材料薄膜的制备与光电器件应用，石墨烯等二维材料宏观体的设计构筑与热管理、能源、环境应用，以及新型二维材料的创制、新奇物理与变革性应用探索。裴嵩峰，中国科学院金属研究所研究员，硕士生导师。2003年在中国矿业大学（北京）获学士学位，2006年在中国矿业大学（北京）获硕士学位，2011年在中国科学院金属研究所获博士学位。裴嵩峰研究员的研究围绕石墨烯等二维纳米材料的制备与应用，石墨烯等低维材料的设计与精确构筑技术，以及功能性薄膜材料的制备与应用。在这里，作者证明了水诱导的GIC脱嵌是导致水电解氧化方法不均匀氧化的原因。作者通过实验，揭示了水扩散对GIC电化学氧化脱嵌的控制原理。基于这些原理，作者开发了一种液膜电解法来精确控制水扩散，以实现氧化和脱嵌之间的动态平衡，从而实现均匀单层GO的工业可持续合成，并用于较高的产率（约180%）和极低的成本（约Hummers方法的1/7）。此外，该方法可以精确控制GO的结构和使用纯水合成GO。该研究为水在石墨电化学反应中的作用提供了新的见解，为GO的工业应用铺平了道路。图1：Ⅰ级硫酸插层石墨化合物（SA-GIC-I）吸水（DIWA）引起的脱嵌及其对电化学（EC）氧化合成氧化石墨烯（GO）薄膜性能的影响图2：电化学氧化过程中SA-GIC-I阳极的DIWA和水电解氧化的原位研究综上，作者展示了使用工业规模的EC氧化GO来生产导热石墨烯薄膜。所得薄膜的电导率和热导率（约20000 S cm-1和1700 W m-1K-1）优于使用Hummers方法合成的石墨烯薄膜，证明了该方法在电子产品热管理方面具有巨大的潜力。此外，GO应用研究的一个重要趋势是依靠人工智能（Al）和机器学习（ML）技术来优化基于GO的产品（如膜）的性能。这些方法为调整合成工艺和高精度预测GO产品的性能提供了机会。为此，要实现对GO薄膜结构和性能的微调，需要在GO的合成过程中进行精确的控制。作者关于LME控制合成GO的工作，以及AI和ML技术的使用，将极大地推动未来GO在各个领域的工业应用。Guo, J., Pei, S., Huang, K. et al. Control of water for high-yield and low-cost sustainable electrochemical synthesis of uniform monolayer graphene oxide. Nat Commun 16, 727 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56121-4.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
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