石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。实际上石墨烯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。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（KonstantinNovoselov）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。他们共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯各项性能都很优异，但存在生产成本高，大规模应用难的致命缺点，石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。科学家们一直在探索低成本制备石墨烯的办法，来实现应用。如果想有效剥离石墨，通常需要大量的溶剂以及剪切、超声波和电化学处理。还有研究者将石墨烯先进行化学氧化，变成氧化石墨烯，之后对其进行还原得到剥离的石墨烯。这一过程往往需要苛刻的氧化剂，工艺条件难以控制，并且通过这一方法获得的石墨烯往往具有缺陷，效率不高。若采用化学气相沉积或先进的有机合成方法，这一方法制备的石墨烯质量高，缺陷少，但是缺点是产率低，因此不适合量产。

就在今年2020年1月27日，美国莱斯大学Duy X. Luong等研究人员提出廉价的焦耳热闪蒸技术（flash Jouleheating，FJH），这项技术可以将不同来源的碳，如石油焦碳、煤炭、碳黑、食品废弃物、橡胶轮胎、塑料垃圾等，可以在不到100毫秒的时间内转变成石墨烯，并实现克级制备！真正实现了石墨烯的低成本快速制备，一时轰动学术界，这项工作开创性地研究了石墨烯的应用，使昂贵的石墨烯低廉化，未来石墨烯的使用即将成为现实。相关论文以“Gram-scalebottom-up flash graphene synthesis”为题发表在《Nature》上。

尽管已经是取得一些突破，但对于闪蒸石墨烯的微观结构以及形成机理缺乏深入的认识，这也阻碍着闪蒸石墨烯大规模制备的进一步发展。

焦耳热闪蒸技术（FJH）可以将几乎所有基于碳的前体转化为大量的石墨烯。近日，美国莱斯大学Boris I. Yakobson教授课题组在闪蒸石墨烯方面取得新突破。这项工作探讨了由炭黑产生的闪蒸石墨烯（FG）的形态和性能。示出了FG由相邻层之间具有旋转失配的涡轮层石墨烯FG（tFG）片层组成。FG的其余部分是褶皱的石墨烯片，类似于非石墨化碳。为了生成高质量的tFG，作者采用了30 – 100 ms的FJH持续时间。超过100毫秒后，主要形成堆叠的石墨烯块。分子动力学模拟结果显示，普通的热退火过程主要产生褶皱形的石墨烯，石墨烯显示出极少的石墨取向或没有石墨平面的取向，这与在通过材料的电流直接影响下可能形成的高质量涡轮状tFG相反。tFG容易通过剪切剥离得到，因此焦耳热闪蒸工艺具有批量生产tFG的潜力。相关研究工作以“ Flash GrapheneMorphologies ”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。

图1 焦耳热闪蒸技术FJH机理图

图1是FJH机理示意图，当超高电流流经炭黑（本实验所用碳源）时，瞬间会产生约30 kW的超高功率，此过程产生的焦耳热很大，足以在几十毫秒内将炭黑加热至大约3000K的温度，速度极快，随后在几秒钟内冷却至室温。在放电过程中，炭黑被快速加热并迅速石墨化，闪蒸石墨烯得以形成。

图5闪蒸时间对石墨烯形态的影响

图6 石墨烯生长形态表征

总而言之，作者报道了使用焦耳热闪蒸技术制备石墨烯，高分辨率透射电镜证实，石墨烯由涡轮状石墨烯薄片(tFG)和褶皱石墨烯组成。从光谱上看，这种涡轮状石墨烯片在光学上表现为具有高2D/G峰值比和窄半峰宽的单层石墨烯。焦耳热闪蒸的持续时间影响闪蒸石墨烯FG的组成，并控制tFG薄片与褶皱石墨烯的比例。原子模拟表明，通过热退火过程主要得到的是褶皱形石墨烯，这种石墨烯平面排列极小，而高质量的石墨烯形成可能归因于通过该材料的电流的直接影响。因此，为了产生高质量的tFG，闪蒸持续时间应控制在30 ~ 100ms。tFG在剪切过程中很容易剥离，因此这项工作提供了一种大规模制备石墨烯的方法。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05900

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