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【新材料●石墨烯】石墨烯高产量制备:“爆炸法”专利技术

【新材料●石墨烯】石墨烯高产量制备:爆炸法专利技术

2017-04-21 人大人科创 Paul

导读

谈及石墨烯准备,大家往往会联想到“化学物质、催化剂、昂贵的材料和设备”。最近,堪萨斯州立大学的物理学家团队开发了一种利用“爆炸法”高产量制备石墨烯的途径,整个工艺主要利用了三种元素:「碳氢化合物气体」、「氧气」和「火花塞」。

1. 石墨烯

石墨烯,是当今世界范围内最为广泛研究的一种材料。结构上,它是由碳原子组成的六角形蜂巢结构的厚度仅为原子程度的一类二维原子晶体材料。作为一种新型材料,它具有许多种优异特性:例如高强度、超轻薄、导电导热性能优异、不透水、柔韧性好等等。 它的应用领域包括电子和半导体器件、柔性可穿戴设备、光学设备、复合材料、油漆和涂层、导电墨水、传感器和计量设备等等。

(图片来源于:维基百科)

2. 制备方法

目前,现有的石墨烯的常规制备方法包括:微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积CVD、氧化石墨还原法等等。目前,这些众多的制备方法尚不能很好地满足工业化的要求。因为,产业化要求技术稳定、成本低廉、生产周期短、制备出的石墨烯品质高。例如微机械剥离法,虽然操作简单,制备出的石墨烯品质高,但是获取的石墨烯尺寸较小,且效率低,成本高,可控性差;化学气相沉淀CVD法和外延生产法,都需要高温和催化剂条件;而氧化石墨还原法,则需要强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾及还原剂水合肼、硼氢化钠等多种化学物质,制备时间也较长,有一定的安全和环境风险。

3. 新专利技术

最近发布的一项专利含碳材料爆炸法高产量制备石墨烯的工艺,能够在一定程度上克服上述制备方法的缺点,为石墨烯工业化生产带来希望。

堪萨斯州立大学物理系教授 Chris Sorensen,是这项专利的领导者,研究人员包括堪萨斯州立大学的博士后研究员和物理讲师 Arjun Nepal,前访问学者 Gajendra Prasad Singh

以下图片左起:堪萨斯州立大学研究员、物理系博士生 Justin Wright;物理系教授Chris Sorensen;博士后研究员和物理讲师 Arjun Nepal

(图片来源于:堪萨斯州立大学)

不同于其他的石墨烯制备方法,该方法十分简便、有效、可拓展至工业级别。这种方法给人感觉有点类似爆米花,可是爆出的是石墨烯,不过它们的原理却大相径庭。具体方法简单描述如下:

将乙炔或者乙烯气体以及氧气装入容器内,然后使用汽车火花塞引燃容器内气体,随后搜集爆炸形成的石墨烯。

(图片来源于:USPTO

对于这种方法,我们先来看看 Sorensen教授怎么说 我们已经发明了一种量产石墨烯的可行工艺,该工艺具有很多优点,例如经济合理性,即具有大规模生产的可能性以及避免化学材料的缺乏。这些优势当中,最佳的特性就是该工艺制备一克石墨烯所需要的能量,比其他工艺少很多,因为它需要的只是一个火花。

对于Sorensen团队来说,这是一个偶然的惊喜。他们在开发黑碳气溶胶时,生产出了石墨烯。整个过程通过在17公升的铝容器内,填充乙炔和氧气,然后使用火花塞点火,在容器内形成爆炸。

(图片来源于:堪萨斯州立大学)

爆炸后,烟尘形成了一种气溶胶。

(图片来源于:堪萨斯州立大学)

(图片来源于:堪萨斯州立大学)

 Sorensen说看上去有点像黑色的天使蛋糕,最终的劳动成果如下图所示:

(图片来源于:堪萨斯州立大学)

但是通过进一步的分析后,研究人员发现气溶胶,不仅仅是看上去的像黑色的天使蛋糕。意外的惊喜的是:它是石墨烯!

对此,Sorensen 的说法如下:我们本来没有计划制造石墨烯,我们计划制造气溶胶凝胶,但是我们很幸运,通过一次偶然的意外制成了石墨烯。

传统的石墨烯制备方法是能源密集型的,能量消耗大,不环保,且十分危险,产量又低。然而,Sorensen的团队通过少量能源,大量制造石墨烯,且没有涉及危险的化学物质。研究人员Nepal说:我们的实验真正的魅力在于我们能以克的数量级,而不是毫克的数量级生产石墨烯。

4. 未来

现在,研究团队还包括了物理系博士生Justin WrightCamp HillPennsylvania,他们正致力于提高石墨烯的品质,将实验室工艺拓展到工业级别。 同时,他们也正在正升级一些设备,以便引爆后,能快速地从容量内获取石墨烯,只需要几分钟时间。Sorensen 认为,更快速地获取石墨烯有利于提高该材料的品质。

参考资料:

[1] http://www.k-state.edu/media/newsreleases/2017-01/graphenepatent12517.html