隨著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對石墨烯及相關(guān)材料的不斷研究，高質(zhì)量、差異化、功能化石墨烯成為目前的研究熱點(diǎn)。大量研究證實(shí)，以鱗片石墨為原料，通過液相剝離-功能化的方法，可以制備出大量滿足工業(yè)需求的石墨烯材料。
隨著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對石墨烯及相關(guān)材料的不斷研究，高質(zhì)量、差異化、功能化石墨烯成為目前的研究熱點(diǎn)。大量研究證實(shí)，以鱗片石墨為原料，通過液相剝離-功能化的方法，可以制備出大量滿足工業(yè)需求的石墨烯材料。
然而，這樣自上而下的方法需要在削弱石墨片層之間作用力的同時(shí)，保護(hù)石墨片層本身不受化學(xué)或物理作用的影響，這就要求對剝離機(jī)理和制備過程進(jìn)行詳細(xì)的研究和調(diào)控。
盧紅斌課題組報(bào)道了一系列制備高質(zhì)量、差異化以及功能化石墨烯的方法。通過對原料石墨進(jìn)行化學(xué)插層，在室溫條件下進(jìn)行液相膨脹得到化學(xué)膨脹石墨。
多種微觀表征證實(shí)，化學(xué)膨脹發(fā)生在石墨的每一層插層空間內(nèi)，相對于原料石墨，化學(xué)膨脹石墨具有約1000倍的厚度方向膨脹。這樣的結(jié)構(gòu)易在良溶劑中剝離，從而得到含高質(zhì)量（C/O > 28，膜電導(dǎo)率1.17×105 S/m）、大尺寸（5~10 μm）的石墨烯溶液。論文第一作者為林珊博士和董雷博士，通訊作者為盧紅斌教授，論文發(fā)表于Chemistry of Materials，并被選為ACS Editors’s Choice進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道，論文獲期刊當(dāng)月和當(dāng)年“Most Read Articles”第一名（Li, S.; Dong, L.; Zhang, J. J. and Lu, H. B. Chem. Mater., 2016, 28, 2138-2146.）。
另外，由于化學(xué)膨脹充分釋放了石墨的層間空間，極大的促進(jìn)氧化劑在石墨層間擴(kuò)散。通過當(dāng)量的氧化反應(yīng)和微弱的機(jī)械剝離，在不需要進(jìn)行尺寸篩分的情況下，可以制備出平均片層尺寸大于80 μm的氧化石墨烯溶液。
此外，近年來，石墨烯基聚合物復(fù)合物的研究受到廣泛關(guān)注。其關(guān)鍵就是要解決石墨烯在聚合物基體中的分散以及界面相互作用問題。以往的研究往往集中在預(yù)先制備石墨烯及其衍生物，進(jìn)而與聚合物復(fù)合。
這一制備流程不僅復(fù)雜難以大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)又很難避免石墨烯含量增加帶來的聚集問題。為此尋求一種更有效、簡單、低成本的高性能石墨烯基聚合物復(fù)合物的制備方法成了現(xiàn)階段的一個(gè)難題。
在這里我們首次提出了利用具有超高比表面積的化學(xué)膨脹石墨（CEG）進(jìn)行層間聚合的思路來解決上述難題。通過單體甲基丙烯酸甲酯（MMA）在CEG層間聚合使得CEG自發(fā)地剝離成單層和少層的石墨烯最終良好地分散在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。
結(jié)果表明，CEG較弱的層間相互作用和單體對CEG的潤濕是保證MMA層間聚合與后續(xù)石墨烯的自發(fā)剝離、分散以及最終復(fù)合物性能優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵前提。輕度氧化的CEG（LCEG）在一定程度上可以改善單體對其的親和性，但是不足以保證LCEG的完全剝離。進(jìn)一步對LCEG表面修飾后，MMA層間聚合充分進(jìn)行。最終復(fù)合物體現(xiàn)了優(yōu)異的熱力學(xué)以及導(dǎo)電性能。
彈性模量相較于純PMMA增加了3倍，同時(shí)電導(dǎo)率也超過了1700 S/m。我們預(yù)期此種新型的層間聚合反應(yīng)方法能夠加速各種石墨烯基聚合物復(fù)合物的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。該論文發(fā)表于Chemistry of Materials，第一作者為2014級直博生王鵬，通訊作者為盧紅斌教授。
