电化学剥离法制备氯化铁-石墨插层化合物衍生复合材料及其在能源与传感领域的应用潜力

研究人员针对传统高温剥离石墨插层化合物(GIC)能耗高的问题，开发了基于FeCl3-GIC的电化学剥离法。通过在KOH溶液中电化学还原，成功制备出包裹KCl和Fe颗粒的毫米级剥离石墨，其碳层结构可保护金属组分免于氧化溶解。该室温制备工艺为燃料电池、传感器等领域的复合材料开发提供了新思路。

　　

石墨材料因其独特的层状结构和导电性，在能源存储、传感器等领域具有广泛应用前景。传统制备剥离石墨的方法需要高达1000°C的高温处理，能耗巨大且难以控制材料结构。更棘手的是，如何在温和条件下实现石墨层间金属化合物的有效封装，一直是制约功能性复合材料开发的瓶颈。

日本京都大学（Kyoto University）创新社会合作办公室的研究人员另辟蹊径，选择氯化铁-石墨插层化合物(FeCl₃-GIC)作为前驱体，通过精巧设计的电化学还原策略，在室温下成功制备出具有保护性碳层结构的剥离石墨复合材料。这项发表于《Carbon Trends》的研究，不仅解决了传统方法的能耗问题，更开创了金属-石墨复合材料制备的新范式。

研究团队主要采用三方面关键技术：X射线衍射(XRD)表征材料晶体结构，扫描/透射电子显微镜(SEM/STEM)结合能谱分析(EDX)解析微观形貌与元素分布，以及线性伏安法和恒电流法等电化学测试系统研究反应机制。通过控制KOH浓度梯度实验，揭示了钾离子在电化学还原中的关键作用。

【3.1. Characterization of FeCl₃-GIC】

XRD证实成功合成阶数为1的FeCl₃-GIC，其夹层间距达0.94 nm。EDX mapping显示Cl/Fe摩尔比≈2.9，符合FeCl₃插层特征，边缘区域则存在未反应石墨。

【3.2. Reduction and exfoliation of FeCl₃-GIC】

在1M KOH中，-1.1V处出现明显还原峰。产物呈现典型蠕虫状多层结构，XRD检测到α-Fe和KCl特征峰。循环伏安显示Fe⁰/Fe²⁺和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对，但仅20%铁参与反应，证实碳层对金属组分的保护作用。

【3.3. Structure of exfoliated graphite composites】

截面SEM揭示蜂窝状结构，STEM观察到碳层包裹的纳米级Fe/FeO_xH_y颗粒。这种独特结构使金属组分在电化学循环中保持稳定，解决了传统复合材料易氧化降解的难题。

【3.4. Role of KOH in reduction and exfoliation】

还原电位与KOH活度的Nernst方程线性关系(R²=0.99)，证实K⁺参与电荷补偿。对比实验显示KOH效果优于NaOH/LiOH，1-2M浓度区间既能保证FeCl₃-GIC有效还原，又可实现充分剥离。恒电流测试表明水还原反应(HER)是引发剥离的关键步骤。

该研究突破性地实现了室温下毫米级剥离石墨的可控制备，其碳层封装技术为开发高稳定性金属-石墨复合材料开辟了新途径。特别值得注意的是，电化学方法不仅能精确控制反应进程，更成为揭示GIC还原机制的有力工具。未来通过优化金属组分和碳层结构，这类复合材料在燃料电池催化剂、敏感元件等领域展现出巨大应用潜力。研究揭示的K⁺协同作用机制，也为其他层状材料的改性提供了重要理论参考。