目前的研究瓶頸：氧化石墨烯是一種石墨烯的產(chǎn)物，而且它的結(jié)構(gòu)中含有各式各樣的含氧官能團。它有非常多的特性，特別是在良好的可加工性和功能化的靈活性。大尺寸氧化石墨烯因為有很強的相互作用，很少的邊緣接觸性和高強度的特性，使得它的導(dǎo)電率，機械強度，液晶特性有了很大的提高。但是，現(xiàn)在的研究瓶頸是如何又快又高效率的制備出大尺寸氧化石墨烯。傳統(tǒng)的制備出尺寸超過50?m的氧化石墨烯方法需要花費至少6小時的氧化時間、大劑量的氧化劑，但是產(chǎn)率卻只有4.3%。中國科學(xué)院的劉志和丁古巧課題組使用了一種全新的制備方法加速電化學(xué)處理過程。

LGO的制備過程與各種制備方法比較SEM能夠非常清晰的看到LGO的表面形態(tài)，可直接利用LGO的物質(zhì)性能進行微觀成像。首先SEM圖可以看到制備的大尺寸氧化石墨烯片層的側(cè)向粒徑和厚度分布，可以清晰的看到絕大多數(shù)的尺寸大于50?m,甚至可以看到大于250?m的氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)。于是聯(lián)用拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)大面積氧化石墨烯的拉曼光譜在1351cm-1處有一個非常強的D吸收峰，且ID/IG的取值范圍是1.15到1.23，這個范圍也說明了制備得到的大面積氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)是有缺陷的，而且這種結(jié)構(gòu)缺陷是均勻分布的。

SEM和拉曼光譜聯(lián)用測試結(jié)果表明該團隊得到的氧化石墨烯確實是大尺寸而且在本質(zhì)上是無定形碳結(jié)構(gòu)。拉曼-掃描電鏡聯(lián)用系統(tǒng)（RISE）是一種新型的測試方法，通過該系統(tǒng)的測試直接證明了該團隊的新方法是成功的，測試的結(jié)果印證了標(biāo)題（large-sized Graphene oxide）。

RISE指的是拉曼光譜和SEM的聯(lián)用測試技術(shù)。RISE將拉曼光譜與SEM集為一體，在獲得氧化石墨烯的微觀形貌的同時，對同一區(qū)域的氧化石墨烯進行拉曼光譜檢測。這樣就可以直接獲得氧化石墨烯的SEM和拉曼圖像。整個測試過程都是在真空環(huán)境下，不僅保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性；而且能夠避免樣品在移動過程中的污染和浪費。與分別使用拉曼光譜和SEM相比，RISE具有非常多的好處，在此簡述兩點：

1、分開使用SEM和拉曼光譜，這樣就存在一個測試的時間差，對于前沿的科學(xué)研究來說，很可能會導(dǎo)致論文中的創(chuàng)新點被其他研究人員提前發(fā)表。

2、分開使用SEM和拉曼光譜，就有可能會存在拉曼光譜圖較符合研究成果，而這部分樣品已經(jīng)被用掉或者樣品被污染，其他批次的樣品的SEM找不到較合適的微觀形貌；又或者是僅僅根據(jù)前一個的測試結(jié)果不理想，就放棄了這個樣品，殊不知此樣品的其他測試是非常符合實驗預(yù)期的結(jié)果。

總而言之，分開使用SEM和拉曼光譜，不僅會花費大量的時間和精力，延誤實驗進度和論文發(fā)表時間；而且會導(dǎo)致樣品被污染、浪費等，使得前面的實驗成果或者努力付之東流。

LGO的SEM（a）、側(cè)向粒徑分布柱狀圖（b）、AFM（c）、厚度分布柱狀圖（d）、拉曼光譜和XPS。

AFM全稱Atomic ForceMicroscope，即原子力顯微鏡。從AMF圖像，我們可以看出每層的厚度基本上在1-5nm之間。將尺寸分布和片層結(jié)構(gòu)做成柱狀圖（b）和（d）。從b柱狀圖中可以看出平均尺寸是83?m而且超過85%的產(chǎn)品的尺寸超過50?m；從d圖中可以看出，基本上80%的是單層或者雙層的結(jié)構(gòu)。將AFM的結(jié)果和SEM聯(lián)用可以得出結(jié)論，該團隊使用電化學(xué)方法得到的氧化石墨烯確實是大面積、大尺寸的而且是薄層結(jié)構(gòu)。

X射線光電子能譜分析（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）可以對大面積氧化石墨烯進行化學(xué)結(jié)構(gòu)（如官能團）分析。從XPS光譜圖可以看出制備得到的大面積氧化石墨烯結(jié)構(gòu)中存在大量的官能團，比如說酯基（289eV）、碳氧雙鍵（288eV）、碳碳雙鍵（284.6eV）、碳氧單鍵（286.8eV）等，這些結(jié)果和拉曼光譜中得到的結(jié)果一致，都共同的證明了該研究得到的大面積氧化石墨烯的均質(zhì)化結(jié)構(gòu)缺陷。

制備產(chǎn)物L(fēng)GO的偏光顯微鏡照片，表層的SEM

和橫斷面的SEM圖g是將所得到的LGO薄片的水分散體（0.5mg/mL）的偏光顯微鏡圖。偏光顯微鏡是利用光的偏振特性對具有雙折射性物質(zhì)進行研究鑒定的儀器。通過圖g的POM圖，我們可以看到LGO薄片呈現(xiàn)彌散的紋理。由于大尺寸誘導(dǎo)的原因，就形成了穩(wěn)定的向列相液晶結(jié)構(gòu)。而且隨著分散體LGO濃度的增加，這種液晶現(xiàn)象成為了主體。水分散體也可加工成具有光滑表面（圖i）和和致密層狀結(jié)構(gòu)組織（圖j）的可折疊紙（圖h）。

LGO的應(yīng)變-應(yīng)力曲線從圖k所示的應(yīng)變-應(yīng)力曲線

可以看出，LGO紙的楊氏模量（12.2 GPa）和抗拉強度（156.3 MPa）均高于傳統(tǒng)制備的平均側(cè)向量的小型氧化石墨烯（SGO）紙。這是因為LGO紙比SGO紙含有更少的層間連接。減少層間連接也會降低相鄰片之間的隔層接觸電阻。

上圖是樣品制備過程中各種中間產(chǎn)物的XRD圖像，從XRD圖中可以清晰的看到各中間產(chǎn)物的吸收峰，顯示出在制備過程中的石墨的去石墨結(jié)構(gòu)和含氧官能團的增加，有利于解釋電化學(xué)方法處理對石墨烯結(jié)構(gòu)變化的機理。

EMG的插入距離隨著含氧官能團的形成而增大，說明石墨向氧化石墨的演化。經(jīng)過1 h的氧化，EMG完全失去了其石墨化特征（峰值為26.60（0 02）），表明其氧化均勻而且完全。另一方面，在石墨的情況下，即使在氧化1小時后，也可以觀察到26.6°的峰值（雖然比氧化石墨的特征峰（約9.69）弱）。該團隊還研究了電化學(xué)預(yù)處理過程中石墨結(jié)構(gòu)的變化。XRD （圖c）和Raman （圖d）結(jié)果均表明，EMG表現(xiàn)為階段1的階層。這與EMG的藍色是一致的。

根據(jù)實驗過程和表征方法的結(jié)果可以清楚的了解到，每個實驗步驟的原理及其石墨烯分子層面的結(jié)構(gòu)變化。

實驗過程及其原理分析

研究結(jié)果：中國研究院的劉志和丁古巧課題組使用了一種全新的方法，該方法不僅速度快（氧化時間為1小時）而且氧化劑的用量也比較少（2當(dāng)量的劑量），克服了之前氧化時間長和氧化劑用量多等因素的限制。該研究制備的產(chǎn)物使用了多種測試方法進行表征（如XRD、POM、XPS），特別是拉曼-掃描電鏡聯(lián)用系統(tǒng)RISE的結(jié)果證明了電化學(xué)方法得到的氧化石墨烯尺寸的大小信息、表面形態(tài)，結(jié)構(gòu)等信息。測試結(jié)果顯示：LGO的平均尺寸達到了83?m，而產(chǎn)量也從4.3%提高到90.3%。實驗結(jié)果表明，與使用小尺寸GO組裝的對應(yīng)產(chǎn)物相比，還原后的LGO紙片結(jié)構(gòu)顯示出更好的機械性能和將近高四倍的導(dǎo)電率。