莫桑比克安库阿贝石墨矿的表征与升级及其在石墨烯材料制备中的应用研究

为解决全球石墨资源对中国的高度依赖及石墨烯制备原料瓶颈问题，研究人员系统研究了莫桑比克安库阿贝石墨矿的矿物学特性，通过XRF、XRD和拉曼光谱等技术证实其含30%高结晶度大鳞片石墨。创新性地采用粒度分级优化Hummers法，将石墨烯氧化物(GO)产率提升至81.4%，并实现从纳米到百微米级GO的可控制备，为非洲石墨资源高值化利用提供关键技术支撑。

　　

在全球新能源产业爆发式发展的背景下，石墨作为锂离子电池(LiBs)负极核心材料（每辆电动车需50kg），其战略地位日益凸显。当前中国垄断全球61%的天然石墨供应和100%的高纯度球形石墨(HPSG)生产，迫使欧美日将石墨列为关键战略矿产。这一背景下，莫桑比克作为新兴石墨生产国（2024年产量7.5万吨居全球第三），其安库阿贝矿床因赋存罕见的大鳞片石墨（最大达4mm）而备受关注。然而，该矿在2023年因经济困境停产，且其资源高值化利用技术尚未突破。

为破解这一困局，来自莫桑比克和西班牙的研究团队在《International Journal of Coal Geology》发表重要研究。通过多尺度表征技术结合创新工艺设计，首次系统评估了安库阿贝石墨矿制备石墨烯材料的可行性。研究采用X射线荧光光谱(XRF)测定矿物组成（SiO₂占74.95%），结合X射线衍射(XRD)和拉曼光谱确认石墨结晶度（I_D/I_G=0.02-0.03）。创新性地建立三级粒度分级体系（p-M1<0.1mm、p-M2 0.1-0.4mm、p-M3>0.4mm），针对不同粒径优化Hummers氧化工艺（大颗粒取消NaNO₃并延长H₂SO₄处理至18小时），通过透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)系统评估产物特性。

4.1 安库阿贝石墨矿表征
XRF分析显示矿石含29.8%碳（石墨形态），灰分中Ti、V、Ni等关键原材料含量均<0.5wt%。光学显微镜观察到三种典型结构：平行排列的100μm鳞片（A型）、<50μm弯曲尾端（B型）和厘米级板块（C型）。XRD测得d₍₀₀₂₎间距0.3354-0.3361nm，证实为高度有序石墨。值得注意的是，大粒径组分p-M3的L_c（45.9nm）和L_a（99.5nm）参数显著高于常规石墨。

4.2 石墨烯氧化物制备突破
使用原始混合石墨（p-Mix）直接氧化的产率仅23%，而分级处理后：

• p-M1（<0.1mm）采用标准Hummers法获得98.2%氧化产率
• p-M3（>0.4mm）通过改良工艺将产率提升至41.6%
  TEM显示p-M3衍生的GO片径超100μm，XPS证实其C/O比达2.4，且C=O基团含量（12.1%）高于小粒径GO（11.7%）。拉曼光谱I_D/I_G比值0.95表明氧化主要发生在基面而非边缘。

这项研究实现了三重突破：首次建立莫桑比克石墨的完整矿物学数据库；开发出针对大鳞片石墨的梯度氧化技术；证实矿石中不同粒径组分可定向制备特定尺寸GO（从纳米级p-M1到微米级p-M3）。这不仅为非洲石墨资源开发提供技术范式，更破解了石墨烯材料尺寸可控合成的行业难题。特别是p-M3组分制备的超大GO，在柔性电子和复合材料领域具有独特优势。研究团队特别指出，安库阿贝石墨中赋存的V、Ni等微量元素（虽含量<0.5wt%）在未来催化材料开发中可能产生意外价值，这为后续研究指明了新方向。