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石墨烯往事(二)幸运的开端——溶剂热法还原氧化石墨烯(2)

在有机溶剂和水的混合溶剂里,GO溶液中加入蒽系有机物,微波几分钟后,原本黄色的氧化石墨变成了黑色的浆状物。莫非就反应了?!当时必须激动啊!这一试就反应,人品爆发的节奏。马上就跟导师汇报,俩人开心了一下午,呵呵……

结果,奇迹出现了!

石墨烯往事(二)幸运的开端——溶剂热法还原氧化石墨烯(2)

在有机溶剂和水的混合溶剂里,GO溶液中加入蒽系有机物,微波几分钟后,原本黄色的氧化石墨变成了黑色的浆状物。莫非就反应了?!当时必须激动啊!这一试就反应,人品爆发的节奏。马上就跟导师汇报,俩人开心了一下午,呵呵……

到了傍晚的时候,我意识到一件事:黑色的氧化石墨应该是对应着更多的共轭基团啊,那和预想中的DA加成不太一致,DA加成应该是减少了氧化石墨的双键才对。难道有副反应?赶紧补做一个对照组:直接对氧化石墨烯的有机溶剂/水溶液进行微波处理,最终还是变黑了。所以可以得出结论,微波处理本身就能让氧化石墨烯发生反应,结合我之前的推论,氧化石墨烯可能发生了还原。基于此,我马上从失望中缓过来,并认为发现了一种制备石墨烯的简单方法。于是我和导师又兴奋地将目光转向了常压溶剂热法制备石墨烯方面的研究。

幸运的是,当时在氧化石墨烯还原制备石墨烯方面的工作还比较少,主要就是化学试剂如N2H4,NaHB4,碱性物质如KOH等对氧化石墨烯脱氧成石墨烯的报道,另外也有利用高温热还原固态氧化石墨烯的研究。所以,我们在微波法制备石墨烯的工作很快就发表在了《Carbon》上。当时审稿人比较关心的是能否获得分散状态的石墨烯溶液,应该说微波处理后所获得的石墨烯分散性小于氧化石墨烯,并且随温度升高会产生很多褶皱和聚集,而采用强力的杆式超声还是可以获得分散的石墨烯溶液,但是片层面积会减小,形貌也变得不规则。

这里还要提的一点是,早期大家对于石墨烯的概念存在一个模糊和放大的阶段。所以实际上化学法和溶剂热法所获得的应该是还原的氧化石墨烯,和学术意义上的石墨烯其实是有很大差距的。这一点在后来石墨烯研究的发展过程中,概念重新逐渐统一,后来国内石墨烯标准委员会也制定了石墨烯的标准(具体可以参考我的博士毕业论文前沿部分)。

此外,为了验证微波是否有特殊的热还原效果,我们还设计了用油浴锅加热氧化石墨烯的对照实验,结果发现在100℃以上时,同样的脱氧反应也会发生,虽然速率上要远低于微波处理。因此,我们基本上可以认为常压溶剂热下氧化石墨烯就可以脱氧向石墨烯转变,相关的工作后来发表在当时刚创刊的《Nanoscale》上。

关于后一篇文章,我们当时有些犹豫,因为和微波方面的工作实在太雷同了,都有一种重复发表的感觉。但是考虑到当时氧化石墨烯研究的圈子里,肯定有很多研究人员也会对氧化石墨烯在溶剂中进行高温处理,那么我们这个现象的揭示对于他们肯定会有借鉴意义的——高温处理过的氧化石墨烯已经不再是原先的氧化石墨烯了。这一类工作,我称之为“辅助性质的研究”,区别于很完整的一套工作;只是对某一个环节过程的揭示,但是能给其他人在后续工作上提供参考和启发。类似的还有Ruoff小组在《Nanoletters》上发表的关于有机溶剂(例如DMF,NMP等)中添加少量的水可以促进氧化石墨的剥离和氧化石墨烯的稳定分散。第一次看到他们的这个工作,我也很震惊,这也太简单了点吧,我当时也发现了类似的现象,但是这一点小技巧对于同行里的人来说确实很实用。

所以说,对于很多刚刚踏入科研的新手而言,并不是完全没有机会。也许你没法有一个很完整的想法(idea),但是就实验中的某些细节进行仔细观察、研究,或许在这些细微处也能挖掘出对同行很有帮助的发现;当然这样的工作发表的时机一定要早,发表的档次也跟你团队的影响力有关。

关于石墨烯的DA加成反应,事实上,后来在JACS上确实看到有一个团队就有相似的思路。只不过人家是用机械剥离的方法,用拉曼对反应后的石墨烯进行检测,而当时,我们实验室所走的化学法肯定会引入缺陷,基本上是走不到DA加成的成功检测那一步的。可见,有时候看对了方向,也需要有正确的路径;而走错了路,也能到达一个不错的地方,只是和你最初的想法不一样而已。

科研路上充满了很多意外,很多研究发现,都不是按所制定的高明计划那样发展的。尽管我们往往在前沿里会给自己的文章找理由,便于读者理解同时提升论文高度,但是回过头来再看发现过程中的风景,却是别有一番风情。

PS:打个小广告——对我们公司http://www.ashine.org/和产品有兴趣的同学可以进来看看;对于我做的实验感兴趣的同学可以从Google scholar看到我所有的原文文献;或者可以看我中文的博士学位论文《石墨烯材料的化学调控、组装及其性能研究》;若是有新材料方面新项目或者是有创业想法的小伙伴想找合作的话,可以发邮件到pg_chenwufeng@163.com。(未完待续……)

本文来自陈武峰科学网博客,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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