石墨烯氧化物（GO）作为一种重要的材料，因其优异的分散性、化学反应性和与其他材料的兼容性，广泛应用于水处理、能源存储、热管理、功能复合材料和生物医学等多个领域。特别是在智能手机、5G通信系统等高科技领域，GO的需求越来越大。然而，现有的GO合成方法通常存在高成本、低效率、对环境有污染等问题，因此，发展一种低成本、高效率、环保的GO合成方法变得非常重要。
GO合成的挑战与现有技术的问题
目前，Hummers法是最常见的石墨烯氧化物合成方法。这种方法使用强氧化剂（如高锰酸钾和硫酸）将石墨氧化成石墨烯氧化物。然而，这种方法不仅反应时间长，而且会对环境造成污染，产生大量有害气体。更重要的是，使用这种方法合成的GO产率和质量都难以控制，氧化程度不均匀，无法精确控制GO的层数和尺寸，限制了它在一些高端应用中的发挥。随着科技的发展，越来越多的研究人员开始探索更为绿色、环保且高效的合成方法。电化学氧化作为一种新兴的合成方法，因其反应速率快、能效高、操作简单等优点，逐渐成为研究的热点。然而，电化学氧化也有一些难题，其中最重要的问题就是氧化不均匀，尤其是在大规模生产时，石墨烯氧化物的产率和单层比例难以保证。
水在电化学氧化中的作用
在电化学氧化过程中，水起着至关重要的作用。水不仅是电解过程的必要成分，还通过水分子产生氧自由基，帮助实现石墨的氧化。另一方面，水分子进入石墨烯插层化合物（GIC）后，会引发去插层反应。去插层反应会导致GIC的结构发生变化，从而影响氧化过程的均匀性。具体来说，水分子会在石墨烯插层化合物的层间空间中扩散，导致这些层间的插层物质被“挤出”或“溶解”，从而改变GIC的结构。这个过程如果控制不好，可能会导致部分GIC不稳定，进而影响氧化反应的均匀性，最终产生不一致的GO产品。这也是电化学氧化法在实际应用中的主要问题之一，尤其是在湿润环境下，水分扩散得太快，去插层反应往往会发生得过于迅速，导致氧化不均匀，最终影响GO的产率和质量。
液膜电解法：精准控制氧化过程
为了克服传统电化学氧化法中的非均匀氧化问题，成会明院士团队开发了一种新方法——液膜电解法（LME）。这一方法的核心是控制水在电解液中的扩散速度，使氧化过程更加均匀。液膜电解法通过一种特殊的液膜结构，将电解液分成多个层次，从而有效控制水的扩散。液膜电解法的优势在于，它可以精确调节GIC和电解液的接触面积，避免水分过多进入电解反应区，影响氧化过程。通过控制水的扩散，研究人员能够保持氧化和去插层反应的平衡，从而实现均匀的石墨烯氧化物合成。实验表明，液膜电解法合成的GO不仅产率高，而且超过99%的GO都是单层结构，使得GO的质量和性能得到了显著提升。此外，液膜电解法还能精确调节GO的氧化程度和层数。通过调整电解液的浓度、电压和水的扩散速度，研究人员能够根据不同应用需求，控制GO的尺寸、氧化程度以及表面性质。这使得液膜电解法在工业生产中具有广阔的应用前景。
工业化前景
为实现大规模生产，研究人员开发了基于液膜电解法的工业生产设备。与传统的Hummers法相比，液膜电解法的优势非常明显：首先，生产成本只有传统方法的1/7；其次，生产效率大大提高，可以在短时间内合成大量高质量的GO；最后，液膜电解法没有使用任何有害化学物质，环保性和安全性也显著提高。在工业化生产过程中，液膜电解法的设备能够持续不断地生产GO，生产过程中不仅保持了高单层比例，还确保了GO的氧化程度达到了理想水平。这意味着，液膜电解法不仅能在短时间内合成出大量GO，还能保证每一批GO的质量稳定。图. LME工业化生产均匀GO。a.工业LME设备照片。b. 工业LME设备中使用的石墨纸卷。c. 工业LME设备生产的氧化石墨纸，呈现出明显的黄色。d. 工业LME设备在3天内生产了500公斤GO分散体 (1.2 wt.%)。
GO的主要应用领域
1. 能源存储：高性能超级电容器与锂电池
GO由于其丰富的氧官能团，能在水溶液中形成稳定的分散液，并可作为电极材料提高导电性。锂离子电池：GO可硅作为耐久材料的包覆层，提高循环稳定性，减少体积膨胀问题。超级电容器：GO可以作为活性材料，提升电极的比电容，提高能量存储能力。随着新能源市场的发展，GO在电池行业的应用前景巨大，尤其是硅碳和高能量密度电池领域。2. 电子与柔性设备
GO具备优异的导电性能，并且可以通过还原处理进一步提高电子迁移率。透明导电膜：可替代ITO，获取触摸屏、OLED显示器、太阳能电池等。柔性电子：GO的可拉伸性和导电性成为柔性传感器和可穿戴设备的理想材料。印刷电子：GO水性分散液可用于喷墨、3D打印制造电子电路，简化生产工艺。3. 环境治理与水处理
GO具有极高的比表面积和丰富的含氧功能团，成为高效的吸附材料。重金属离子：GO能够高效吸附水中的铅、汞、汞等重金属离子，废水处理。海水淡化：GO基膜技术可以实现水的过滤，提高海水淡化效率。空气净化器：GO涂层可用于空气过滤设备，吸附有害气体和细颗粒物。
与AI结合
随着人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的飞速发展，液膜电解法与这些先进技术的结合，能够为GO的合成提供更多的创新机会。AI可以帮助优化电解液的成分、电压、反应时间等参数，从而进一步提升GO的合成效率和质量。通过AI技术，研究人员还可以预测GO的性能，并根据应用需求进行定制化合成。例如，在电子设备、智能传感器等领域，GO的结构和性能要求非常高，传统方法很难满足这些精确的需求。而结合AI技术后，液膜电解法能够更加灵活地调整GO的结构和性能，确保其满足不同领域的应用需求。综上所述，液膜电解法（LME）通过精确控制水的扩散速率，有效解决了传统电化学氧化法中的非均匀氧化问题。该方法不仅提高了GO的产率和单层比例，还能够精确调节GO的氧化程度和尺寸，满足不同应用的需求。随着该技术的进一步优化和AI技术的结合，液膜电解法将为GO的工业化生产和应用开辟新的前景。GO作为一种重要的材料，未来将广泛应用于电子设备、能源存储、智能传感器、环保材料等多个领域。液膜电解法的成功研发，不仅推动了GO的合成技术进步，还为石墨烯材料的应用带来了更大的空间，在未来的科技发展中将发挥更加重要的作用。
2025（第五届）碳基半导体材料与器件产业发展论坛
2025（第五届）碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2025）将在2025年4月10-12日于宁波召开。
碳基半导体（包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等）因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性，正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下，碳基半导体战略意义凸显，成为多国布局的重要赛道。
为此，由DT新材料将举办的第五届碳基半导体材料与器件产业发展论坛，以“创新·融合（金刚石&“金刚石+”）”为主题，将围绕金刚石以及“金刚石+”半导体的生长、精密加工、键合、器件制造、高效热管理应用等环节中的关键技术和设备，搭建一个汇聚顶尖专家学者、企业家和产业界人士的高水平交流平台，分享与探讨碳基半导体产业趋势、创新成果和应用需求，推动碳基半导体产业上下游合作，助力产业链高质量发展。
报告申请：
汪杨
电话：19045661526（微信同号）
邮箱：wangyang@polydt.com
刘琦
电话：18958383279（微信同号）
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李蕊
电话：13373875075（微信同号）
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曾瑶
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刘明臣
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