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改進石墨烯材料性能途徑的新發現

【摘要】:
一項新研究發現,石墨烯的純度問題可能是限制這種新材料廣泛應用的一個障礙。減少石墨烯中的硅污染有望提升其性能表現,充分發揮石墨烯在工業界的應用潛能。石墨烯是從石墨材料中分離出來的、由一層碳原子組成的二維材料。它具有輕薄、強韌、導電和導熱效率高等性能,是被工業界寄予厚望的新一代材料。但石墨烯的實際表現卻差強人意,在工業界普及的速度也不夠理想。改進石墨烯材料性能途徑的新發現澳大利亞皇家墨爾本理工大學研究

一項新研究發現,石墨烯的純度問題可能是限制這種新材料廣泛應用的一個障礙。減少石墨烯中的硅污染有望提升其性能表現,充分發揮石墨烯在工業界的應用潛能。

 

石墨烯是從石墨材料中分離出來的、由一層碳原子組成的二維材料。它具有輕薄、強韌、導電和導熱效率高等性能,是被工業界寄予厚望的新一代材料。但石墨烯的實際表現卻差強人意,在工業界普及的速度也不夠理想。

 

改進石墨烯材料性能途徑的新發現

 

澳大利亞皇家墨爾本理工大學研究人員領銜的團隊在英國《自然·通訊》期刊上報告說,他們利用最先進的掃描透射電子顯微鏡對市面上的商用級石墨烯樣品進行了原子級別的詳細檢查,發現其中的硅污染程度很高,而這對石墨稀的性能表現有很大影響。比如,受污染的石墨烯作為電極的性能可比理論預期值低50%。

 

參與研究的朗赫拉·阿里·賈利利在接受新華社記者電話采訪時說,由于石墨烯只有一層原子,特別容易受到表面污染的影響,而硅污染讓石墨烯性能表現不夠穩定,因而很難建立起一種工業標準來規范石墨烯的性能指標。

 

進一步實驗發現,雖然直接清除石墨烯中的硅污染難度較大,但只要清除制備石墨烯的原材料——石墨中的硅成分,就能較容易得到高純度石墨烯。研究人員利用這種方法制備出高純度石墨烯,并用它們制成大容量電池,以及靈敏度極高的濕度感應器,證實了高純度石墨烯的優異表現。

 

石墨烯制備方法

 

機械剝離法

 

機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動,得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單,得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結構。2004年,英國兩位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法,也歸為機械剝離法,這種方法一度被認為生產效率低,無法工業化量產。雖然這種方法可以制備微米大小的石墨烯,但是其可控性較低,難以實現大規模合成。

 

氧化還原法

 

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化,增大石墨層之間的間距,在石墨層與層之間插入氧化物,制得氧化石墨(Graphite Oxide)。然后將反應物進行水洗,并對洗凈后的固體進行低溫干燥,制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進行剝離,制得氧化石墨烯。最后通過化學法將氧化石墨烯還原,得到石墨烯(RGO)。這種方法操作簡單,產量高,但是產品質量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸,存在較大的危險性,又須使用大量的水進行清洗,帶大較大的環境污染。

 

使用氧化還原法制備的石墨烯,含有較豐富的含氧官能團,易于改性。但由于在對氧化石墨烯進行還原時,較難控制還原后石墨烯的氧含量,同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內高溫等外界每件影響下會不斷的還原,因此氧化還原法生產的石墨烯逐批產品的品質往往不一致,難以控制品質。

 

取向附生法

 

取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯,首先讓碳原子在1150℃下滲入釕,然后冷卻,冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面,最終鏡片形狀的單層的碳原子會長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后,第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的相互作用,而第二層后就幾乎與釕完全分離,只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻,且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。

 

碳化硅外延法

 

SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下,使硅原子升華脫離材料,剩下的C原子通過自組形式重構,從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯,但是這種方法對設備要求較高。

 

赫默法

 

通過Hummer法制備氧化石墨;將氧化石墨放入水中超聲分散,形成均勻分散、質量濃度為0.25g/L——1g/L的氧化石墨烯溶液,再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質量濃度為28%的氨水;將還原劑溶于水中,形成質量濃度為0.25g/L——2g/L的水溶液;將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻,將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌,反應完畢后,將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。

 

化學氣相沉積法

 

化學氣相沉積法即(CVD)是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質量高的特點,但現階段成本較高,工藝條件還需進一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨使用,必須附著在宏觀器件中才有使用價值,例如觸摸屏、加熱器件等。

 

低壓氣相沉積法是部分學者使用的,其將單層石墨烯在Ir表面上生成,通過進一步研究可知,這種石墨烯結構可以跨越金屬臺階,連續性的和微米尺度的單層碳結構逐漸在Ir表面上形成。毫米量級的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學者發現的,在1000℃下加熱300納米厚的Ni 膜表面,同時在CH4氣氛中進行暴露,經過一段時間的反應后,大面積的少數層石墨烯薄膜會在金屬表面形成。

 

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