石墨烯氧化物的安全高效合成新策略：室温氧化法的开发与表征

为解决传统石墨烯氧化物(GO)制备方法中存在的强酸腐蚀、有毒气体释放及爆炸风险等问题，研究人员开发了一种室温下仅使用浓H2SO4和KMnO4的改良Hummers法。该方法通过分步添加氧化剂避免Mn2O7爆炸风险，24小时内即可获得与商业GO性能相当的产物（C/O比1.99，10层结构），XPS证实其环氧基(C-O-C)含量达30.49 at.%，为GO的规模化安全生产提供了新思路。

　　

石墨烯氧化物(GO)作为石墨烯的重要衍生物，在能源存储、生物医学和复合材料等领域展现出巨大潜力。然而传统制备方法长期面临安全与效率的双重挑战：浓HNO₃、KClO₃等强腐蚀试剂会产生有毒的NO_x和易爆的ClO₂气体，而加热步骤更可能引发Mn₂O₇的剧烈分解。尽管Hummers法通过KMnO₄替代降低了部分风险，但NaNO₃的引入仍会导致NO₂释放，且高温反应（45°C）和长达数天的制备周期制约着实际应用。

针对这些瓶颈，马耳他大学的研究团队在《Carbon Trends》发表研究，开发出无需加热、24小时完成的室温氧化工艺。该方法仅需浓H_{SO4和分步添加的KMnO4，通过精密控制Mn2O7生成动力学，在保证安全性的同时实现了与商业GO（Graphenea产品）相当的氧化程度。}

关键技术方法包括：1）分步氧化策略（每小时添加1g KMnO₄×4次）；2）多步离心纯化（10,000 rcf至pH 6-6.5）；3）超声剥离（80 kHz/1h）；4）综合表征体系（Zeiss Merlin场发射SEM、Bruker D8 XRD、Kratos Axis Ultra-DLD XPS）。

实验结果
光学与电子显微镜：原始石墨（15.06±1.87 μm）经氧化后横向尺寸缩减至10.22±0.62 μm，SEM显示典型褶皱状GO片层结构，局部存在未完全剥离的厚层区域。

XRD分析：石墨（002）晶面间距从0.338 nm增至GO的0.861 nm，Scherrer方程计算表明层数从87层降至10层，与商业GO（6层）接近，证实有效剥离。

XPS表征：氧含量从石墨的3.23 at.%提升至32.82 at.%，C/O比1.99与商业品（1.89）相当。C 1s谱显示环氧基（284.8 eV）占比最高（30.49 at.%），其次为酯基（1.50 at.%）和酸酐（1.45 at.%）。Auger C KLL谱的D参数（20 eV）反映sp²含量为76.7%，略低于商业品（79.4%），源于更多C-O-C键的引入。

安全性能：通过避免加热步骤和分批次投料，成功抑制Mn₂O₇的爆炸性分解（临界温度55°C），反应过程无NO_x或ClO₂释放。

该研究通过反应工程学创新，在保持GO氧化质量（环氧基主导的功能化、10层结构）的前提下，将传统工艺的4天反应缩短至24小时，且全程室温操作。特别值得注意的是，该方法省去了Marcano法中的H₃PO₄和Hummers法的NaNO₃，使硫残留量（0.66 at.%）低于商业产品（1.24 at.%）。这种"减法式"工艺设计为GO的工业放大生产提供了更安全、环保且经济的解决方案，同时其建立的室温氧化理论对二维材料的可控功能化具有普适指导意义。