为了揭示背后的成因,该团队利用了半原位和原位的红外光谱以及固态核磁研究了自交联现象背后的化学过程,发现GO片层在脱水条件下,相互之间能发生酯化反应并形成酯键。该酯键不可逆地将GO片层相连,阻止它们在水中分散成单层。
图2:自交联反应的谱学研究
酯化反应伴随着水的消除,这也意味着样品的总质量应随着干燥时间的延长而逐渐减少。该研究进一步测量了GO样品在干燥过程中的质量变化。结果显示在干燥开始初期,GO中发生的主要为吸附水的快速脱附。而随着表面吸附水的脱去,酯化反应开始发生。该反应速度慢,且在一周后仍在持续发生。当干燥后GO样品被重新置于潮湿环境中时,脱附水可重新吸附到GO表面上,因此对于干燥时间短的样品,其质量可以恢复到干燥前。而在长期干燥后,由于酯化反应中的缩合水被永久移除,GO样品的质量出现了不可逆的减少。
图3:由于酯化脱水反应,GO在连续干燥中质量将不可逆地减少
在微观尺度下,自交联表现为相邻GO片层之间的粘附。该团队观察到,在水中,未经干燥脱水处理的两层GO之间相互作用很弱,第二层GO很容易被洗掉。而干燥脱水后,第二层GO得以牢固附着在底层GO上,即使在超声处理下也无法被洗掉。
图4:微观尺度下相邻GO片层的自交联
该研究揭示了GO的一种基本的化学性质,刷新了人们对GO化学反应活性的认知。这一工作一方面提醒了人们在加工和处理GO相关材料时,应注意干燥的程度和方法。另一方面,自交联也能被用于开发新的GO功能化方法,从而帮助人们获得更多性能更为优异的GO薄膜、块材和复合物。