气密性还原氧化石墨烯薄膜的制备及其在X射线装置窗口和燃料电池质子交换膜中的应用研究

研究人员针对传统材料（如铍窗和全氟磺酸膜）的毒性、脆性和环境问题，开发了通过蒸发自组装法制备的气密性还原氧化石墨烯（rGO）和氧化石墨烯（GO）薄膜。该薄膜具有优异的机械稳定性、低面内电阻率（33148 S·m-1 ）和选择性气体阻隔性能，成功应用于X射线探测器窗口替代和燃料电池质子交换膜（PEM），为绿色能源技术提供了非氟化替代方案。

　　

在能源技术和环境可持续性领域，传统材料的使用正面临严峻挑战。例如，X射线探测器中的铍窗虽具有低X射线吸收特性，但其高毒性和脆性限制了安全应用；而燃料电池中广泛使用的全氟磺酸聚合物（如Nafion膜）因含持久性污染物PFAS（全氟烷基和多氟烷基物质）面临欧盟REACH法规的禁用风险。如何开发高性能、环境友好的替代材料成为关键科学问题。

在此背景下，中国的研究团队通过蒸发自组装法（evaporation-assembly）制备了大面积（达100 cm²
）、自支撑的氧化石墨烯（GO）薄膜，并系统研究了其物理化学性质。研究发现，GO悬浮液的初始状态（如老化时间）显著影响薄膜的碳氧比（C/O）和功能基团分布，而温和的还原剂抗坏血酸（AA）处理可将C/O比从3.2提升至5.7，同时使电导率提升5个数量级（达33148 S·m^-1
）。这种薄膜展现出独特的“千层饼”结构（millefeuille-like architecture），厚度超过5 μm时对H₂
、Ar等气体完全阻隔，而薄层（<1 μm）则表现出基于Knudsen扩散的选择性渗透行为。

关键技术方法
研究采用商业GO分散液（Graphenea），通过蒸发自组装在疏水PTFE基底上成膜，结合扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析结构；通过热重-质谱联用（TGA-MS）和接触角测试评估热稳定性与亲水性；使用自制渗透池测量气体渗透率，四探针法测定电导率；最后在比例计数器（²⁴⁰
Pu源）和开放式阴极燃料电池中验证应用性能。

研究结果

1. GO薄膜结构与组成：SEM显示薄膜由堆叠GO片层构成，厚度可控（1–5 μm）。XPS揭示老化悬浮液制备的薄膜C/O比更高（24个月老化后达3.2），且AA还原后sp²
   碳占比提升至76%。
2. 还原与热处理影响：AA还原（4·10^-2
   M）使薄膜电阻率从GO的0.210 S·m^-1
   降至rGO的33148 S·m^-1
   ，优于多数文献报道值。XRD显示还原后层间距从0.77 nm缩小至0.36 nm。
3. 气体渗透性能：厚膜（>5 μm）对H₂
   、He完全阻隔；1 μm薄膜在低压下优先渗透H₂
   （渗透率1.43·10^-11
   mol·m^-2
   ·s^-1
   ），符合Knudsen扩散机制。
4. 应用验证：
   • X射线窗口：rGO膜（693 μg·cm^-2
     ）替代铍窗，α粒子能量损失仅0.5%，且无毒性风险。
   • 燃料电池PEM：GO膜初始开路电压（OCV）达0.9 V，电流密度0.2 A·cm^-2
     （0.5 V），阻抗低于Nafion膜，但需优化长期稳定性。

结论与意义
该研究通过低成本、可放大的蒸发自组装技术，制备了兼具高电导率和气密性的rGO/GO薄膜。其成功应用为X射线检测器提供了铍的安全替代方案，并为燃料电池领域提出了首例无PFAS的自支撑质子交换膜原型。尽管GO膜的长期稳定性仍需改进，但该工作为氢能技术的绿色化提供了关键材料基础，同时响应了欧盟对PFAS的监管趋势。未来通过调控GO片层尺寸和交联度，有望进一步优化薄膜的导电性与耐久性，推动其在能源与环境领域的规模化应用。