通过乙酸乙酯 - 水双相超声萃取对 B-CVD 石墨烯粉末进行相选择性纯化

《Diamond and Related Materials》：Phase-selective purification of B-CVD graphene powders by ethyl acetate–water biphasic ultrasonic extraction

　　

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  绿色两相超声提取法纯化B-CVD石墨烯粉末。
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  相分配将石墨烯片层与碳球和铜分离。
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  乙酸乙酯同时提取并部分去除多环芳烃副产物。
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  回收固体铜资源有效抵消纯化成本。

引言

石墨烯凭借其出色的电学、热学和力学性能，在储能、复合材料和电子设备等领域展现出广阔的应用前景[1], [2], [3]。鼓泡化学气相沉积（B-CVD）在石墨烯的可规模化和低成本生产方面极具潜力[4]。然而，该方法利用熔融金属催化剂和甲烷进行高温热解，不可避免地会产生碳球、非晶碳和多环芳烃（PAHs）等副产物[5], [6]。与此同时，金属催化剂颗粒往往粘附在石墨烯表面，或以微纳米颗粒的形式被包裹在褶皱的石墨烯结构中[7]。这些杂质严重影响石墨烯的纯度、分散性和电导率，限制了其在高附加值领域的应用[8]。

传统的石墨烯纯化方法主要包括酸浸出[9]、浮选[10], [11]和高温热处理[12]。虽然酸浸出可以有效去除金属杂质，但消耗大量强酸并产生含金属离子的废液，导致金属催化剂流失、工艺成本增加、环境负担加重，且可能损伤石墨烯结构[12]。浮选基于表面亲水性/疏水性的差异，对微纳米级金属颗粒和碳材料的分离效率有限。高温处理可以蒸发金属杂质，但能耗高，且无法从根本上分离不同形貌的碳产物。近年来，基于密度差的物理分离策略（如涡流分离、梯度离心和交叉流过滤）已被用于石墨烯纯化[13], [14]。然而，这些方法大多局限于单一液相体系，对于不同形貌的碳组分（片状与球状）的分离选择性不足[15]。

为了解决上述问题，本研究提出了一种绿色、低能耗的超声提取与分级纯化方法。利用可回收的乙酸乙酯/水两相体系结合超声空化，实现了B-CVD产物中石墨烯片层、碳球和金属铜颗粒的高效分离。该方法原理如下：超声破碎石墨烯与附着颗粒间的物理结合；释放出的金属颗粒因密度大且亲水而沉降至水相底部；碳球由于高曲率和界面吸附倾向而富集于液-液界面，随后进入水相；与此同时，二维石墨烯片层因与乙酸乙酯的强分散相互作用而被稳定保留在有机相中。此外，乙酸乙酯可以溶解并去除碳表面附着的疏水性多环芳烃副产物。最终，通过简单的液-液分离和真空过滤即可获得高纯度石墨烯片层。

章节摘要

材料

本研究所用的碳材料是由上海驰科技材料有限公司采用B-CVD方法生产的含铜石墨烯粉末，生产批次号为U241128。实验中使用试剂包括乙酸乙酯（99.5%）、过氧化氢（35%）、盐酸（37%）和乙醇（99%），均购自上海凌风化学试剂有限公司。所有实验所用去离子水均由密理博系统纯化。

超声辅助提取与纯化工艺

将

分离性能分析

图2(a)、(b)和(c)分别展示了分液漏斗中超声分离前、超声处理200分钟后以及分离过程结束时的液相照片。随着超声时间的增加，下层水相逐渐从最初的清澈透明变为浑浊，相界面变得难以辨认。最终呈现为含有分散细颗粒的灰色乳化状悬浊液。

将

结论

本研究提出了一种基于乙酸乙酯/水两相体系的超声辅助分级工艺，作为B-CVD多相碳产物纯化的预处理富集步骤，具有低化学试剂消耗的优势。超声空化促进了石墨烯片层上附着或被包裹的铜颗粒和碳球的解离。同时，不同组分在两相体系中的相分配行为差异进一步实现了

CRediT作者贡献声明

李杰：原稿撰写、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。陆逸伟：方法论。雍晓东：可视化。赵逸峰：调查研究。余庆凯：资源提供。史志远：撰写——审阅与编辑、验证、调查研究。汤勇良：撰写——审阅与编辑、资源提供、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4005204）的支持。感谢中科院上海硅酸盐研究所（SIMIT, CAS）共享技术与设施中心协助完成部分表征实验。

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