首页 资讯 “白菜价”石墨烯真的来了?登上Nature后仅8个月,大规模制备再获突破!

“白菜价”石墨烯真的来了?登上Nature后仅8个月,大规模制备再获突破!

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2020127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 JouleheatingFJH),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。


研究成果


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FGtFG)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 msFJH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 ”为题发表在国际顶期刊ACS Nano上。



图文速递


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。





结论与展望


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 ~ 100mstFG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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