无溶剂工艺让石墨烯兼具导电性与高分散性

一种无溶剂研磨工艺能将氮原子嵌入石墨烯结构，同时保持其导电性及在常见溶剂中的稳定性。

多年来，石墨烯以其极高的强度、极薄的厚度以及近乎零电阻的导电能力令科学家们着迷。然而，在实验室之外，这种神奇材料始终难以投入实际应用。主要障碍并非成本或性能，而是化学特性。石墨烯倾向于团聚而非在液体或塑料中均匀分散，因此难以制成涂层、油墨或复合材料。

以往解决这一问题的尝试通常会破坏石墨烯最独特的优势——导电性。一项新研究表明，这种长期存在的性能折衷并非不可避免。通过利用机械力和一种常见氨基酸，研究人员展示了一种能使石墨烯既保持电活性又易于加工的方法，且无需有毒化学品、极端高温或高昂的环境代价。

研究人员指出："我们的方法在常温常压下即可实现高产率（约80%），且能耗显著低于传统方法。"

将石墨研磨成更智能的材料

研究人员面临的核心挑战是平衡两种相互矛盾的需求。石墨烯必须与周围材料相互作用以实现良好分散，但对其表面的过度修饰会破坏允许电流流通的电子网络。

氮原子提供了一个巧妙的解决方案，因为它们能在不破坏导电性的前提下引入极性。然而，大多数氮掺杂技术远不实用：有些需要超过760°C的高温炉，有些需要堪比深海环境的高压，许多方法还涉及肼或三聚氰胺等危险化合物。即使较新的机械方法仍依赖于不安全的氮源或高能耗的后处理步骤。

莫纳什大学的研究团队另辟蹊径。他们不依赖热量或溶剂，而是利用机械化学——通过物理冲击驱动化学反应。在一台旋转的行星式球磨机中，他们将石墨薄片与氢氧化钾及甘氨酸（一种存在于生物体内的简单氨基酸）混合，在室温和常压下以400转/分钟的速度研磨20小时。

随着磨罐内的硬球与石墨碰撞，材料被不断断裂、剥离成薄层石墨烯。同时，氢氧化钾通过夺取甘氨酸氨基上的氢原子将其活化。

研究作者指出："这种'一锅法'工艺能同步实现剥离与氮掺杂，生成吡咯氮、石墨氮和吡啶氮官能团，从而在导电性（达到石墨粉末的30%）与在多种溶剂中长达一个月的长期分散性之间实现了独特平衡，这是传统功能化方法难以企及的。"

该方法实现了80%的产率（对于固态石墨烯加工而言异常高），氮含量约为2.3%。其中石墨氮的存在尤为重要，它能提供额外电子，有助于保持导电性。

更环保的工艺

研究作者还量化了环境表现。该工艺的E因子（环境因子）为88，意味着单位产品产生的废物相对较少。这优于基于三聚氰胺的固态方法（E因子≈135），更远胜于湿法球磨（废物量可达约17000）。包含用电和化学品生产的二氧化碳排放因子计算也显示，该方法明显优于水热法和高温技术。

所得材料解决了最初的问题：原始石墨虽导电性极佳（约3000 S/m），但在常见液体中几乎不分散；仅研磨石墨会破坏导电性（降至约30 S/m）。而氮掺杂石墨烯取得了难得的平衡——导电性达1170 S/m（约为原始石墨的1/3），同时在水、乙醇、松油醇、Cyrene和己二醇中表现出优异的分散性。依靠在水和乙醇中强烈的负zeta电位，稳定分散体系可维持长达一个月。

为确认是氮（而非氧）主导了这些特性，研究人员在保持氮不变的情况下减少了含氧基团。即使氧含量下降，分散性保持不变，而导电性进一步提升至1478 S/m，清楚表明氮功能化是关键因素。

性能测试

研究团队随后测试了这种更"清洁"的石墨烯是否能实际改善现有材料。他们将少量氮掺杂石墨烯纳米片加入Vitrimer（一种加热时可重排内部键合的可回收塑料）中。

仅添加不足1%（重量比）的填料，材料的拉伸强度就提高了73%，分解温度提升了11°C，性能远超传统碳填料（后者通常需要十倍添加量）。电学性能也显著改善：Vitrimer的电阻从近3000兆欧骤降至0.013欧，使电流易于通过。施加16伏电压后，复合材料在两分钟内升温至158°C，触发了聚合物内部的键交换反应。宽度达176微米的划痕在六分钟内完全愈合。相同实验在未填充塑料中完全失败，因其无法有效分布热量。

氮掺杂石墨烯还改变了材料对压力的响应方式：普通石墨填料将应力松弛时间延长至近400秒，而氮掺杂纳米片在200°C下将其缩短至仅16秒。氮官能团与聚合物基体间的强相互作用形成了更均匀、热响应更灵敏的网络。

尽管工业化生产仍需进一步优化（特别是缩短研磨时间），但这项工作证明高性能石墨烯的制备未必需要环境代价。通过用天然分子和机械能替代有毒掺杂剂与极端条件，研究人员为开发可持续导电填料提供了一条现实路径。

该研究发表于《ACS可持续化学与工程》期刊。

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