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石墨烯产业化再加筹码,中国科学家研发成功环保剥离制备技术!

来源:烯碳资讯 发表时间:2018-01-12 184
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提起石墨烯,最出名的大概就是2010年两位科学家凭借对石墨烯的深入研究,分享诺贝尔物理学奖。近日,复旦大学传出信息,该校和新加坡国立大学的研究人员合作研发,寻找到了全新的石墨烯高效率制备,这一技术核心将非常容易“放大”到产业。

值得一提的是,与传统的发表论文、企业合作路径不同,课题组完全反着来——2013年创新成果,2014年申请专利,2015年专利转让国内一家企业后,才于1月8日在线发表于《自然•通讯》。课题组负责人之一,复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌笑着说,“好东西还是要放一放的,沉淀一下可能更好。”

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制备的石墨烯原子相透射电镜(a)、拉曼光谱(b)、X射线光电子能谱(c)、大范围原子力显微镜照片(d);石墨烯厚度(e)和尺寸统计(f)图。 董雷摄


很少有人知道,石墨烯不仅仅存在于诺贝尔奖名册上,也早已与生活息息相关。本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。因其完美的二维结构,成为了许多创新产品的功能性添加剂——加入特殊高分子涂料后,可凭借隔绝性能,延长涂料涂装寿命;加入电池做导电剂,同样因其二维结构,让电子传输更便利,流得更快了,大大提升充电速度;若加入一些纤维和电热装置,其特殊的导电、导热性能,同样能让产品性能提升一个台阶。

如此有用的东西,其更好的制备方法也成为学界和产业共同竞逐的目标。英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现,他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。

卢红斌教授给了石墨烯三个“最”:现有材料中厚度最薄,仅0.335纳米;强度最高,是钢的100倍;导热性最好,比金属银还高10倍以上,此外其电子迁移率极高,比硅还高2个数量级。这种新型二维材料,在智能装备、航空航天、能源储存和环境治理等诸多领域应用潜力巨大,是重要的战略新兴材料。然而,如何实现高质量石墨烯的高效率、规模化制备一直是制约其大规模应用的关键难题。

其实,石墨烯是天然存在于自然界中的,制备的理想解决方案是从天然鳞片石墨出发,将其在特定溶剂液相中剥离成石墨烯。换句话说,由于石墨烯是疏水的,需要在剥离的环境液体中加入大量活性剂,否则难以剥离。常见做法,往往制备1吨石墨烯,需要加入3吨高锰酸钾等氧化剂,让其变为氧化石墨烯,剥离后再还原,这一过程中氧化、还原,以及清洗产生的废水不少,而且也让石墨烯失去了一些特有的性质。

如何克服这些问题?该课题组研究人员采用一种非稳定分散的策略,通过在石墨烯表面引入极少量的可电离含氧官能团,实现了在极高浓度下的快速、高产率剥离,剥离产物90%以上为单层石墨烯,且晶格缺陷少,从而有效解决了石墨烯规模化应用中的储存和运输问题。此外,该方法制备的石墨烯水相浆料表现出了良好的流变特性,可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶,从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。         

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