液相剥离（LPE）技术在大规模生产低缺陷、高质量石墨烯纳米片（GNs）方面具有显著的优势和潜力。然而，汉森溶解度参数和表面张力匹配原理限制了 LPE 工艺适用溶剂的范围。常规溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和N，N-二甲基甲酰胺（DMF）等由于黏度较低，导致悬浮体系中的剪切力不足，同时固液界面处剪切力的传递效率低，从而造成整体剥离效率低。

近日，河南大学张经纬教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Improving the liquid phase exfoliation efficiency of graphene based on the enhanced intermolecular and interfacial interactions”。 研究梳理了液相剥离过程中的机械能和剪切力传递过程，为了突破现有溶剂体系的限制，研究了几种吡咯烷酮溶剂中溶剂粘度对 LPE 效率的影响，这些溶剂与 NMP具有相似的结构，但分子链更长、黏度更高。与NMP体系相比，N-辛基-2-吡咯烷酮（NOP）悬浮体系中的 GNs 浓度显著增加了约 70%，这主要归因于 NOP 悬浮体系中更高的分子间和界面相互作用。

图1  LPE过程中的能量传递过程示意图以及GNs产物浓度和形貌表征。

比较有意思的是，固液界面处吸附的溶剂分子的构象，会显著影响界面处剪切力的传递效率。在剪切流场的诱导取向和多分子竞争吸附行为的共同作用下，相比其他吡咯烷酮分子，NOP分子由于具有更高的界面层厚度，因此更有利于界面处剪切力的传导，因而NOP体系的剥离效率更高。

图2 固液界面处的分子构象统计分析。

此外，降低 NOP 悬浮体系的工作温度可进一步加强分子间以及界面相互作用，这更有利于剪切力在界面处的传递。与室温下的 NMP 体系相比，LPE 效率提高了约 150%。

图3 降温强化分子间以及界面相互作用的机制分析。

由于石墨烯具有出色的导电性，所制备的纤维素纳米纤维/石墨烯纳米片（CNF/GNs）复合薄膜具有轻质高效的电磁屏蔽性能，达到2.4 × 104 dB cm2 g-1。 这项工作阐明了固液界面分子构象影响剪切力从溶剂到石墨传递的微观机制，有望为经济、高产地生产 GNs 建立一条通用、高效的途径，从而促进 GNs 以及其他二维（2D）纳米材料的广泛应用。

图4 CNF/GNs复合薄膜的电磁屏蔽性能分析。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148263

人物简介：

张经纬，河南大学纳米杂化材料应用技术国家地方联合工程研究中心副主任，教授，博士生导师。在纳米材料的结构设计、宏量制备及其在能量转化与存储领域的应用方面开展了较为系统的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、NSFC-河南联合基金培育项目、NSFC-河南联合基金重点支持项目子课题等4项，参与国家自然科学基金项目5项，主持企业横向课题、省级、校级等项目十余项。先后在J. Mater. Chem., Chem. Comm., J. Power Sources, Nanotechnology等刊物上发表SCI学术论文70余篇，获授权中国发明专利及美国PCT专利10项。主持完成多个系列产品的工业小试或中试试验，部分产品实现了商品化。