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星空体育在线直播·科普0335纳米厚的单层石墨烯到底是怎样制备出来的

发布时间:2024-04-15 03:11:37 g来源:星空体育官方平台 作者:星空体育官方平台

  自2010年因石墨烯的发现获得诺贝尔物理学奖而名声大噪,到2015年石墨烯产业奠基人冯冠平教授将石墨烯带到中国。经过在国内的多年落地发展,石墨烯优异的特性已经得到人们的广泛关注和认可。

  由于石墨烯是只有一层碳原子厚度的二维晶体,所以一毫米的石墨就大约包含300万层石墨烯,也就是说石墨烯的厚度只有薄薄的0.335纳米。

  2004年,发现石墨烯的两位英国科学家,从高定向热解石墨中玻璃处一层石墨片,然后将这种薄片不断用胶带一分为二使其更薄,不断重复之后,最终得出了仅有一层碳原子组成的薄薄一层,这就是石墨烯。

  但是,要实现石墨烯应用的话就必须实现量产。所以如果真的只能靠胶带不断粘出来,那么规模化制备就无从说起了,更没有如今石墨烯应用快速发展的局面了。

  因为,真正的石墨烯是单层的,而要制备出单层的石墨烯来,对制备技术要求非常高,市面上很多号称石墨烯的材料大多为石墨,或者是多层石墨烯材料堆叠。也就是说,只有从石墨上,剥离出的一个单层,才能称之为石墨烯。

  我国首个石墨烯国家标准GB/T30544.13-2018:《纳米科技术语第13部分:石墨烯及相关二维材料》日前正式发布,于2019年11月1日开始实施。

  简单来说,G处的峰值与D处的峰值比值要小于1。也就是说,图中左侧的峰值要比右侧峰值低方可以判定为石墨烯结构。

  一是利用各种物理、化学手段削弱石墨层与层间的范德华力剥离得到单层或少层石墨烯,主要有机械剥离法、液相剥离法、氧化还原剥离法。

  优点:制备成本低,缺陷少,性能好缺点:产率低和成本高的不足,不满足工业化和规模化生产要求,目前只能作为实验室小规模制备。

  优点:能较大尺寸生长,且得到的石墨烯性能好缺点:原料成本较高,生长温度需达到(1400℃),一般设备很难达到,而且也很难生长太大尺寸的石墨烯。

  优点:方法简单,原料成本不高,且易于规模制备缺点:此法容易带来废液污染且得到的石墨烯缺陷非常多,电学、力学性能都较差。

  化学气相沉积法(CVD)目前,商品化的石墨烯薄膜主要采用化学气相沉积法,石墨烯粉末主要采用氧化还原法制备。这里我们重点讲一下烯旺科技石墨烯薄膜的制备方法。

  我们常规的思路是要制备石墨烯,必须从石墨中想办法剥离出来。然而化学气相沉积法,则反其道而行之,让石墨烯自己“生长”出来。

  由于石墨烯是碳原子组成的,所以烯旺科技的化学气相沉积法通过在接近1000℃的高温和高真空的环境下,通入含碳气态物质和还原性气体,经过催化裂解出来的碳原子直接在铜箔表面成核,进而生长成石墨烯薄膜。

  由于铜表面石墨烯的生长会因为石墨烯的覆盖而停止,即石墨烯的自限性生长,所以最易于得到单层的石墨烯。

  看似简单的工艺,然而对技术和设备的要求都非常高。在石墨烯生长的过程中,只要条件稍有改变,石墨烯就会长得千姿百态。苛刻的制备条件没有难倒化学家和化工专家,烯旺科技现已掌握石墨烯的连续化大批量卷对卷薄膜生产技术。

  到这里,我们不禁又产生一个疑问:采用化学气相沉积法在铜箔表面生长出来的石墨烯,我们该如何储存利用,进行规模化裁切使用呢?

  将铜箔上的石墨烯转移到目标基底上,中间要经过旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、去铜、烘烤、去胶、清洗等过程。

  烯旺科技采用一种新型的复合刻蚀液及其刻蚀方法,可以实现近乎无损地将石墨烯薄膜转移至柔性基底,即我们现在经常可看见的PET、PEN或PI材质。

  在一体化的生产线上依次完成升温、生长、降温、转移等环节,就可以制成一张张能在众多领域发光发热的石墨烯。

  首先我们在生长有或覆盖有石墨烯的铜箔基底上覆一层转移介质膜,再通过复合刻蚀液将石墨烯基底的铜箔刻蚀,清洗干净。

  去除铜箔后,这样就得到了石墨烯+转移介质膜。将石墨烯+转移介质膜放入烘箱烘干,使用例如PET、PEN或PI作为基底,就完成了石墨烯转移和储存,可制备出纯石墨烯发热膜。

  薄膜热传导快:热导率高,升温速度快,石墨烯中碳原子间强共价键的存在,使的石墨烯中声子导热占主导,声子导热主要受声子间碰撞散射和缺陷散射影响,因此薄膜质量决定了热传导率;

  我们拿氧化还原法来说,即将天然石墨与强酸和强氧化剂反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层石墨烯),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羟基、环氧基,得到粉体石墨烯。

  备注:强氧化剂可以使石墨层间距扩张,形成片层或者边缘带有羰基等基团的氧化石墨,然后在水溶液或有机溶剂中超声处理,即可形成均匀分散的单层氧化石墨烯,再通过还原剂还原氧化基团制得石墨烯粉体。


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