清华大学深圳国际研究生院Nature Communications:1秒插层、12秒剥离!钠-萘试剂实现高质量石墨烯的秒级宏量制备
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二维晶体凭借原子级厚度带来的优异电学、力学与化学性质，在催化、电子器件、生物医学和储能等领域展现出广阔前景。然而，现有制备路线始终难以兼顾质量、产率与成本：机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等方法效率低或生长缓慢，难以支撑高通量生产；传统强酸氧化插层（如Hummers法）虽可放量，却会造成不可逆的结构损伤，严重劣化材料的电学与热学性能。
电化学碱金属离子插层剥离虽然更温和、可通过截止电压精确调控电荷转移，但需要制备电极并组装/拆解电池，操作复杂、规模受限。以正丁基锂为代表的有机碱金属试剂虽可在溶液中直接插层，却常因试剂过量、反应温度高（约100 ℃）和反应时间长而引起纳米片结构形变。如何系统性地加速反应动力学并拓展氧化还原电位匹配原则，建立普适、快速、无损的溶液相插层剥离方法，是二维材料规模化应用亟待解决的关键问题。
成果简介
近日，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、吕伟长聘副教授团队报道了一种多环芳烃自由基阴离子（PAH•−）介导的有机碱金属插层剥离策略，可在约12秒内实现高质量二维晶体的秒级制备。通过调节多环芳烃π共轭体系的大小（萘、菲、芘），可系统调控自由基阴离子的还原电位与电子转移能力，使溶剂化碱金属离子在层状主体的稳定电位窗口内实现超快插层。
以石墨为例，钠-萘（Na-Naph）溶液仅需1秒即可形成一阶石墨插层化合物，随后水解驱动剥离（11秒）得到石墨烯，总产率超过88%，单层比例超过50%，且缺陷密度几乎不增加（ID/IG比值仅从约0.10升至约0.11），剥离石墨烯薄膜电导率高达118000 S m⁻¹。该策略还可拓展至过渡金属硫属化合物，在保持本征晶相的前提下获得3~5层的WS₂、WTe₂和MoSe₂纳米片。经济分析表明，制备1 kg无缺陷石墨烯的总成本仅约10~12美元，团队并搭建了单批次1~10 L分散液的连续放大装置。
图文导读
图1 PAH•−介导的碱金属插层与剥离路线。(a) 多环芳烃在溶剂化学碱金属插层法中调控还原电位与插层动力学的作用示意（A：碱金属；R：主体；DME：乙二醇二甲醚）；(b) 各类二维材料（过渡金属硫属化合物、六方氮化硼、石墨）的电化学插层/转化电位汇总；(c) A-M配合物（A = Li/Na/K；M = 萘/菲/芘）的还原电位。
图2 石墨插层及所得石墨烯的表征。(a) 原位光学显微镜捕捉Na-Naph-DME溶液对石墨的快速插层，1秒内完成（标尺：500 μm）；(b, c) 各GA-A-M样品的XRD峰位与拉曼G峰位置对比；(d) 石墨插层化合物剥离过程照片及Na-Naph-Ex的SEM图像；(e) 不同合成方法的石墨烯制备时间与温度对比；(f) Na-M-Ex的(002)衍射峰残余强度，Na-Naph-Ex降至11.24%；(g–i) 剥离石墨烯的层数统计分布，Na-Naph-Ex单层占比51%，≤5层占91%。
图3 高质量无缺陷石墨烯的表征。(a) 插层化合物水解剥离过程示意；(b–d) Na-Naph-Ex、Na-Phen-Ex、Na-Pyrene-Ex的AFM图像，厚度分别为0.78 nm（单层）、4.97 nm和10.30 nm，与还原电位匹配原则一致；(e) 石墨与Na-M-Ex的拉曼光谱，剥离样品的ID/IG比值保持约0.11；(f, g) iDPC-STEM图像显示剥离石墨烯具有完整的六方碳晶格，而还原氧化石墨烯存在大量空位与畸变。
图4 MoSe₂、WTe₂与WS₂的插层与剥离。(a–c) 三种材料原始粉末与锂化产物的XRD图谱，峰位移向低角度证实插层成功且无相变分解，插图为纳米片胶体溶液照片；(d–f) 剥离纳米片的SEM图像，横向尺寸达微米级；(g–i) 高分辨TEM与FFT图像，证实2H-MoSe₂、1T-WTe₂和2H-WS₂的本征晶相与单晶特性；(j–l) AFM图像显示纳米片厚度分别为2.60、4.30和4.09 nm，对应约3~5层，插图为直径35 mm的真空抽滤薄膜。
图5 高质量石墨烯的规模化制备。(a) 溶剂化学碱金属插层-剥离装置流程图，插层溶液可循环使用；(b) 放大生产装置照片；(c) 以1 kg石墨为原料的成本分析，总成本仅约9.86~11.59美元；(d) 单批次制备的1 L装石墨烯分散液（1 mg mL⁻¹）；(e) rGO、GA-Li-Ex与GA-Na-Ex薄膜的电导率对比，GA-Na-Ex达118000 S m⁻¹，远高于rGO的1200 S m⁻¹。
总结展望
本工作建立了一种快速、普适的多环芳烃自由基阴离子介导有机碱金属插层剥离策略。研究证明，PAH自由基阴离子可作为高效电子转移媒介，同时调控还原电位与插层动力学：热力学上通过电位匹配保证插层在主体稳定窗口内进行，动力学上通过电子转移能力决定插层速率，据此构建的热力学-动力学反应相图为不同层状晶体选择合适的PAH-碱金属组合提供了明确判据。
该方法无需加热、反应时间极短、插层溶剂可循环利用，兼具高产率、低成本与可放大性，为石墨烯及过渡金属硫属化合物纳米片的宏量制备提供了实用平台，有望加速二维材料在拓扑电子学、催化与储能等领域的产业化应用。
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41467-026-75142-1
