1 氧化石墨烯的概述

1.1 氧化石墨烯的性質及結構

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，其顏色為棕黃色，并且可以以粉末狀、片狀或溶液狀存在。因經氧化后，碳平面上以及邊緣處的碳原子會與氧反應，形成含氧官能團，如羥基、環氧基、羧基和羰基。這些官能團的引入使得氧化石墨烯的性質相較于原始石墨烯更加活潑，也更易于進一步的化學修飾和功能化。

圖1 氧化石墨烯的結構式

由于含氧官能團的親水性，氧化石墨烯在水中和其他極性溶劑中具有較好的溶解性，這為制備溶液處理的GO基材料提供了便利。但含氧光能團的引入破壞了石墨烯的共軛結構，導致氧化石墨烯相比于石墨烯電學性質有所下降。

1.2 氧化石墨烯應用領域

氧化石墨烯是一種性能優異的新型碳材料，由于其較高的比表面積和表面豐富的官能團，使其擁有廣泛的應用領域。具體如下：

(1)光電領域：2016年Karteri等人研究了具有SiO2/ GO雙絕緣層的有機薄膜晶體管及其光響應特性器件， GO的加入不僅增加了絕緣層的種類和厚度，并且增強了晶體管的特性。

(2)柔性傳感器：由于GO含有眾多親水官能團，所以易于被修飾.另外其比表面積大，分散性好，具有良好的濕敏特性，使其成為一種理想的傳感器材料，尤其在柔性傳感器領域具有廣泛的應用。

(3)生物方面：GO的生物相容性和易于官能化的特性使其成為藥物輸送和生物成像的理想材料。此外，它的高比表面積和低細胞毒性也使其在生物技術領域有著廣泛的應用前景。

(4)“智能服裝”新材料：俄羅斯托木斯克理工大學開發出一種基于尼龍織物和還原氧化石墨烯的“智能服裝”新材料。研究人員將GO涂在尼龍上，進行激光處理時，尼龍熔化形成涂層，石墨烯顆粒會嵌入到織物的纖維中。

1.3 氧化石墨烯挑戰及前景

氧化石墨烯在未來發展中將扮演著重要角色，尤其在新能源和環境領域方面。例如，在能源轉換與儲存方面，氧化石墨烯因其獨特的電子性質和高比表面積，在光解水產氫中顯示出了良好的潛力。這一應用對于未來清潔能源的開發至關重要。

然而，挑戰與發展前景并存。氧化石墨烯作為一種重要的納米材料，在多個領域展現出了巨大的應用潛力，但其大規模、高質量的制備仍然是一個技術瓶頸。如何實現可控的生產過程，保證產品質量的同時降低成本，是推動其商業化的關鍵。

綜上所述，隨著技術的不斷進步與市場的逐步開拓，氧化石墨烯將有望在多個領域實現更廣泛的應用。

2 傳統氧化石墨烯的制備方法

目前常用的制備氧化石墨的方法主要有Brodie法、Staudemnaier法和Hummers法。早在1859年，英國科學家，Bordie利用發煙硝酸處理鱗片石墨烯，然后加入KClO₃作為氧化劑對鱗片石墨烯進行再次氧化而制備出了氧化石墨烯。1899年，Staudenmaier用發煙硝酸和濃硫酸的混合酸對石墨烯進行處理，仍然以KClO₃為氧化劑再次氧化制備得到更高氧化程度的氧化石墨烯。而Hummer采用了交替氧化的方法，以濃硫酸、硝酸鈉和高錳酸鉀作為強氧化劑進行制備得到氧化石墨。

雖然Staudenmaier法和Brodie法的氧化程度比Hummers法要高，但是反應過程中會生成ClO₂、NO₂等有害氣體，且相對較長的反應時間產生的消耗更大，因此Hummers法為化學法制備氧化石墨烯最常見的方法。

3 微流控制制備氧化石墨烯

根據發明專利CN112774596公開的一種微流控制制備氧化石墨烯的方法，即采用微混合器和微通道反應器相結合的方式，可縮短傳質距離加快石墨氧化。通過調控反應液流體行為(如反應器結構、反應液流速和壓力)精確定制氧化石墨烯的化學結構，并實現連續大規模生產。該方法可代替傳統反應釜能夠有效解決現階段Hummers法制備氧化石墨烯反應耗時長、反應放熱量多、反應安全隱患大等問題。

3.1 實驗設備

該方案主要設備包括：第一原料罐、第二原料罐、微混合器、微通道反應器、分離裝置、氧化石墨烯收集裝置、酸液收集裝置和純化裝置。其工藝流程設計如下圖所示：

圖2 微流控制制備氧化石墨烯的工藝流程

1、2-原料罐;3、4、6-計量泵;5-微混合器;7-微通道反應器;8-分離裝置;9-酸液收集裝置;10-氧化石墨烯收集裝置;11-純化裝置

3.2 實驗操作

本方法所用石墨粉為可膨脹石墨粉、膨脹石墨粉或鱗片石墨粉，氧化劑為高錳酸鉀或高錳酸鉀與其它氧化劑的混合物，插層劑為濃硫酸或者濃硫酸與其它插層劑的混合物。其具體實驗步驟如下：

(1)第一預混液的制備：控制用于預混的第一原料罐的溫度降到10℃以下，先將第一插層劑加到原料罐中內，再加入石墨粉，攪拌混合至均勻，得到石墨粉和第一插層劑的分散液。

(2)第二預混液的制備：將第二插層劑加入用于預混的第二原料罐中內，控制第二原料罐的溫度保持在10℃以下，在攪拌的條件下分批次緩慢地加入氧化劑，氧化劑的加入時間為5-20min，加入完畢后繼續攪拌至物料混合均勻，得到氧化劑與第二插層劑的溶液。

(3)微流混合：控制微混合器夾套溫度保持在10℃以下，分別將第一預混液和第二預混液由進料泵送入微混合器，單路進料流速為3mL/min，泵入壓力范圍為0.5MPa，混合時間為5min。

(4)微流反應：為了有效避免堵塞問題，微混合器優選通道為截面是直徑2000μm圓形。通過計量泵將混合懸浮液送入微通道反應器進行反應。其中，控制微通道反應器中物料的總流速為6mL/min，物料停留反應時間為5min，泵入壓力范圍為0.5MPa，通過控制微通道反應器夾套溫度，使反應溫度為35℃。

(5)分離：通過錯流過濾裝置實現氧化石墨烯濃縮液與含氧化劑的酸液的分離。

3.2 結果與分析

本方案在2min時，即可達到石墨50?90%的單層產率。同時，通過控制微通道反應器的物料流速，可實現精確控制氧化石墨烯的氧化程度。

4 總結與展望

4.1 氧化石墨烯的重要性

氧化石墨烯不僅是一種具有廣泛應用潛力的納米材料，而且是實現石墨烯大規模生產的關鍵，對于推動科技創新和經濟發展具有重要意義。其重要性表現為幾個方面：

(1)功能性材料：氧化石墨烯的晶格結構和表面富含的含氧基團賦予了它豐富的功能性，這些官能團提供了有效的活性點位，使得GO在多個領域展現出了優異的性能。

(2)前驅體材料：氧化石墨烯是規模化制備石墨烯的關鍵前驅體，這意味著通過還原氧化石墨烯可以大量生產石墨烯，這對于推動石墨烯的工業應用至關重要。

(3)研究熱門：氧化石墨烯的應用研究在多個領域都非常熱門，包括能源存儲、環境治理、生物醫學等，這些研究有助于開發新技術和產品，促進相關行業的發展。

4.2 微流控制對氧化石墨烯的影響

微流控制在氧化石墨烯方面具有顯著的優勢，其能夠實現高效且本質安全的石墨烯氧化過程。具體為以下幾個優點：

(1)提高反應效率：微通道反應器因其百微米尺寸和連續流動特征，能夠實現快速的反應。石墨烯可在2min內就能達到傳統反應釜數小時才能實現的氧化程度。

(2)精確控制反應：通過改變微反應器的構型和反應流體參數，可以在一定范圍內精細調節氧化石墨烯的氧化程度和含氧官能團種類。

(3)安全性提升：與傳統的批量反應相比，連續流微通道反應器由于其小尺寸和可控性，能夠在本質上提高反應的安全性。

(4)實現規模化生產：研究結果表明，利用微通道反應器進行并行放大，可以實現年產60噸的連續化制備產線，而所需的微反應器體積僅需約6.5升。