氧化石墨烯（GO）是印刷电子、催化、储能、分离膜、生物医学和复合材料的理想材料。但是现在合成GO的主流方法还是用石墨和复合氧化剂混合反应得到氧化石墨，然后将其剥离得到GO。此反应时间通常长达几百小时，会引入金属离子杂质，且有爆炸的危险，还会引起环境污染，这大大制约了GO的工业化生产。我们亟需一种高产、安全、环境友好型的合成方法。

沈阳材料科学国家研究中心的任文才和成会明研究员设计出一种电解水氧化的GO制备方法:首先在浓硫酸中用硫酸分子插层石墨，以此抑制后续电解水过程中的氧气析出，而只产生高活性的氧自由基。第二步则是在稀硫酸中将插层石墨电化学氧化，研究发现该过程中硫酸的浓度可以控制GO的氧化程度。值得注意的是，硫酸在整个过程中只是一种控制剂（没有被消耗，可重复利用），而非氧化剂，可以实现GO生产的宏观调控。同时，同位素示踪法也明确证实GO的含氧官能团来自于水。XPS、红外等表征结果说明此法与传统方法的产物官能团几乎一样，而ICP表征则证明了产物中没有金属离子杂质。

快速、绿色、安全地制备氧化石墨烯

水电解氧化法制备GO的速度比传统方法快100余倍，且不使用强氧化剂，有效解决了氧化石墨烯制备过程中污染严重、有爆炸风险等问题，大幅降低成本，有望工业化生产应用。这使得这份工作成功发表在Nat. Commun.上。

DOI: 10.1038/s41467-017-02479-z

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图1：氧化石墨烯

首先我们来了解一下什么是锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、（研究实验中一般用铜作正极，为了表征方便）金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂离子电池

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。现在我们日常生活中用到的可充电锂电池一般指的是锂离子电池。

锂金属电池的充电量是锂离子电池的10倍，但由于锂在充电和放电时在电极上不均匀地沉积。这种沉积会使这些电池的寿命缩短，更重要的是会导致电池短路并起火，这是锂金属电池不能用于商业化的根本原因。

最近芝加哥伊利诺伊大学的研究人员提出了解决锂金属电池商业化的办法。研究人员提出一种可能的解决方案：将具有氧化石墨烯涂层的纳米片放置在电池电极之间，从而防止金属锂不均匀的堆积，这样可以使电池安全的循环放电达到数百次。“我们的研究结果表明，在这种情况下，二维材料—氧化石墨烯可以帮助调节金属锂的沉积，延长锂金属电池的寿命。”UIC工程学院的副教授Reza Shahbazian-Yassar说。

图2：新型锂金属电池基本结构

在锂离子电池中，通常用多孔聚合物或玻璃陶瓷纤维制成的隔膜置于电解液中。该分离器允许锂离子经过，同时防止其他成分堵塞，这样可以避免由于电短路引起的火灾。研究人员在锂金属电池中使用了一种改进的隔膜来调节锂离子的流动，控制锂沉积速率，以防止形成树突。他们将氧化石墨烯喷涂在玻璃纤维隔板上，制成纳米片。

通过各种成像技术显示，研究人员发现，当纳米片用于锂金属电池时，锂电极的表面可以形成均匀的锂薄膜。

图3：两种锂金属电池正极表面的SEM像

图中左侧是传统的锂金属电池铜电极在1 mA·cm−2循环120次后的扫描电镜图像，可以看出沉积不均匀且有锂枝晶形成；而右侧是加了氧化石墨烯隔膜的铜电极在1 mA·cm−2循环160次后的扫描电镜图像，电极表面明显更均匀更光滑。

图4：利用光学成像技术显示就更加清晰直观

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