使用 石墨烯外表究竟是疏水仍是亲水？

  石墨类碳资料在电极，吸附，催化载体以及固体润滑剂方面有着极端广泛的使用。了解它们和水之间的相互作用关于根底资料的表征以及实践设备的制备都起着关键作用。从前，遍及的观念都以为石墨碳资料外表是的。可是，美国匹兹堡大学Kozbial等人宣布在世界尖端杂志Accounts of Chemical Research上的最新研讨发现：石墨外表本质上是亲水的，而由于外表吸附了空气环境中的烃类污染物，才形成石墨烯外表的疏水性。

  在石墨烯的各类使用中，外表功能的精准控制（例如黏附、冲突和外表能）是非常必要的。潮湿性不只是表征外表功能的重要参数，并且还直接影响了电子掺杂和载体可移动性。在1940年， Fowkes and Harkins初次报导了天然石墨的接触角为85°度左右。其他学者研讨不同石墨类碳资料时得出的成果也与该值相挨近。碳纳米管以及石墨烯的潮湿性研讨成果也标明他们都是疏水的。一切的这些研讨都标明sp2杂化方式的石墨类碳资料都是疏水的。

  1. Tadros等人选用捕泡法测验出外表洁净的各项同性的石墨，其行进角为63° (53 °C)。但他们的作业大多散布在在研讨等温吸附上，而不是潮湿性，所得出结论不非常牢靠。

  2. Schrader发现石墨在室温下和超真空条件下被剥离后的接触角值为35°。可是，超高真空会形成水的蒸腾，形成较低的接触角。进一步提出石墨疏水是由于石墨被疏水的有机物污染。

  为了处理以上问题，美国匹兹堡大学Kozbial教授从头规划了试验，并用KRÜSS DSA100接触角测验仪表征资料的接触角和外表能。室温下，研讨了新鲜石墨烯和剥离的高度有序热解石墨外表的接触角与时刻的改变。依据成果得出露出在空气中时，接触角与时刻具有相依性（图1）。之前研讨者们也用相同的办法研讨了金的潮湿性，由于金的外表吸附了空气中的烃类污染物，形成金的疏水性。而二氧化硅和稀土氧化物等陶瓷资料的接触角也表现出相同的性质。因而Kozbial教授提出，石墨类碳资料是不是也由于外表吸附了空气中的烃类污染物才变得疏水呢？

  使用衰减全反射红外光谱法，收集了新鲜和老化的石墨烯的外表数据。依据成果得出，石墨烯在空气中露出10分钟后，呈现了显着的亚甲基（−CH2−）的峰（图2a），这说明有烃类物质吸附在了石墨烯外表。此外，亚甲基峰强度跟着露出时刻的添加而变强，一起接触角和ATR-FTIR的数据也表现出类似的趋势。如下：

  收集新鲜石墨烯和老化2天石墨烯的C1s XPS数据。285eV邻近的强峰来自于石墨烯碳原子（图2b）。不同的是，在285.7 eV处有一个更正的峰以及在287.6 eV邻近呈现了一个肩峰，这都说明晰烃类物质的存在。随后也收集了新鲜石墨和老化2天石墨的ATR-FTIR数据。因而，关于石墨烯和石墨而言，新组成或许新剥离得到的外表是没有烃类物质的，而在空气中露出老化之后，是有烃类物质吸附的。

  图2. 铜基石墨烯的(a) ATR-FTIR和(b) XPS图谱，石墨的ATR-FTIR图谱(c)，(d)烃类物质吸附膜厚度和接触角石墨在空气露出时刻的改变联系

  经过该技能讨论研讨发现，石墨外表开端露出在空气中后，烃类物质吸附膜的厚度逐步添加，在60分钟时到达峰值，随后曲线呈现渠道。引起了这一改变时，石墨外表生成了∼6Å厚的烃类物质层。

  综上，ATR-FTIR，XPS以及椭圆偏振法都标明石墨外表本质上是温和亲水的，吸附烃类物质后才变的疏水。

  外表能是固体物质重要的外表性质，它不只决议资料外表的潮湿性，更深深影响着粘附性、冲突性以及其他的外表或界面功能。根据四种测验液体的接触角数据，经过三种常见的模型Neumann，Fowkes和Owens−Wendt计算了新鲜和老化石墨外表的外表能。图3标明石墨烯和石墨的外表能跟着露出时刻添加而逐步下降。新鲜外表的外表能最大，老化外表的外表能最小。形成这种成果的原因是空气中烃类物质的吸附进程带来的热力学驱动力下降了总外表能。

  烃类污染物不只影响石墨类资料外表的潮湿性还影响了其粘附性和吸附性。因而，开发有用的去除和按捺烃类污染物关于控制石墨外表功能是最重要的。此妨碍在未来取得打破后，石墨烯基设备的成功制备也就为时不远了。