一種無溶劑研磨工藝能將氮原子嵌入石墨烯結(jié)構，同時保持其導電性及在常見溶劑中的穩(wěn)定性。

多年來，石墨烯以其極高的強度、極薄的厚度以及近乎零電阻的導電能力令科學家們著迷。然而，在實驗室之外，這種神奇材料始終難以投入實際應用。主要障礙并非成本或性能，而是化學特性。石墨烯傾向于團聚而非在液體或塑料中均勻分散，因此難以制成涂層、油墨或復合材料。

以往解決這一問題的嘗試通常會破壞石墨烯最獨特的優(yōu)勢——導電性。一項新研究表明，這種長期存在的性能折衷并非不可避免。通過利用機械力和一種常見氨基酸，研究人員展示了一種能使石墨烯既保持電活性又易于加工的方法，且無需有毒化學品、極端高溫或高昂的環(huán)境代價。

研究人員指出："我們的方法在常溫常壓下即可實現(xiàn)高產(chǎn)率（約80%），且能耗顯著低于傳統(tǒng)方法。"

將石墨研磨成更智能的材料

研究人員面臨的核心挑戰(zhàn)是平衡兩種相互矛盾的需求。石墨烯必須與周圍材料相互作用以實現(xiàn)良好分散，但對其表面的過度修飾會破壞允許電流流通的電子網(wǎng)絡。

氮原子提供了一個巧妙的解決方案，因為它們能在不破壞導電性的前提下引入極性。然而，大多數(shù)氮摻雜技術遠不實用：有些需要超過760°C的高溫爐，有些需要堪比深海環(huán)境的高壓，許多方法還涉及肼或三聚氰胺等危險化合物。即使較新的機械方法仍依賴于不安全的氮源或高能耗的后處理步驟。

莫納什大學的研究團隊另辟蹊徑。他們不依賴熱量或溶劑，而是利用機械化學——通過物理沖擊驅(qū)動化學反應。在一臺旋轉(zhuǎn)的行星式球磨機中，他們將石墨薄片與氫氧化鉀及甘氨酸（一種存在于生物體內(nèi)的簡單氨基酸）混合，在室溫和常壓下以400轉(zhuǎn)/分鐘的速度研磨20小時。

隨著磨罐內(nèi)的硬球與石墨碰撞，材料被不斷斷裂、剝離成薄層石墨烯。同時，氫氧化鉀通過奪取甘氨酸氨基上的氫原子將其活化。

研究作者指出："這種'一鍋法'工藝能同步實現(xiàn)剝離與氮摻雜，生成吡咯氮、石墨氮和吡啶氮官能團，從而在導電性（達到石墨粉末的30%）與在多種溶劑中長達一個月的長期分散性之間實現(xiàn)了獨特平衡，這是傳統(tǒng)功能化方法難以企及的。"

該方法實現(xiàn)了80%的產(chǎn)率（對于固態(tài)石墨烯加工而言異常高），氮含量約為2.3%。其中石墨氮的存在尤為重要，它能提供額外電子，有助于保持導電性。

更環(huán)保的工藝

研究作者還量化了環(huán)境表現(xiàn)。該工藝的E因子（環(huán)境因子）為88，意味著單位產(chǎn)品產(chǎn)生的廢物相對較少。這優(yōu)于基于三聚氰胺的固態(tài)方法（E因子≈135），更遠勝于濕法球磨（廢物量可達約17000）。包含用電和化學品生產(chǎn)的二氧化碳排放因子計算也顯示，該方法明顯優(yōu)于水熱法和高溫技術。

所得材料解決了最初的問題：原始石墨雖導電性極佳（約3000 S/m），但在常見液體中幾乎不分散；僅研磨石墨會破壞導電性（降至約30 S/m）。而氮摻雜石墨烯取得了難得的平衡——導電性達1170 S/m（約為原始石墨的1/3），同時在水、乙醇、松油醇、Cyrene和己二醇中表現(xiàn)出優(yōu)異的分散性。依靠在水和乙醇中強烈的負zeta電位，穩(wěn)定分散體系可維持長達一個月。

為確認是氮（而非氧）主導了這些特性，研究人員在保持氮不變的情況下減少了含氧基團。即使氧含量下降，分散性保持不變，而導電性進一步提升至1478 S/m，清楚表明氮功能化是關鍵因素。

性能測試

研究團隊隨后測試了這種更"清潔"的石墨烯是否能實際改善現(xiàn)有材料。他們將少量氮摻雜石墨烯納米片加入Vitrimer（一種加熱時可重排內(nèi)部鍵合的可回收塑料）中。

僅添加不足1%（重量比）的填料，材料的拉伸強度就提高了73%，分解溫度提升了11°C，性能遠超傳統(tǒng)碳填料（后者通常需要十倍添加量）。電學性能也顯著改善：Vitrimer的電阻從近3000兆歐驟降至0.013歐，使電流易于通過。施加16伏電壓后，復合材料在兩分鐘內(nèi)升溫至158°C，觸發(fā)了聚合物內(nèi)部的鍵交換反應。寬度達176微米的劃痕在六分鐘內(nèi)完全愈合。相同實驗在未填充塑料中完全失敗，因其無法有效分布熱量。

氮摻雜石墨烯還改變了材料對壓力的響應方式：普通石墨填料將應力松弛時間延長至近400秒，而氮摻雜納米片在200°C下將其縮短至僅16秒。氮官能團與聚合物基體間的強相互作用形成了更均勻、熱響應更靈敏的網(wǎng)絡。

盡管工業(yè)化生產(chǎn)仍需進一步優(yōu)化（特別是縮短研磨時間），但這項工作證明高性能石墨烯的制備未必需要環(huán)境代價。通過用天然分子和機械能替代有毒摻雜劑與極端條件，研究人員為開發(fā)可持續(xù)導電填料提供了一條現(xiàn)實路徑。

該研究發(fā)表于《ACS可持續(xù)化學與工程》期刊。

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