什么原材料可以生产石墨烯？

梵恪 | 宇浩 2024-05-13 19:41:35

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石墨烯是2004年出现在实验室中。当时，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞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。一、制备方法石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热sic的方法；化学方法是化学还原法与化学解理法。微机械分离法最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。　但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。取向附生法—晶膜生长取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 1 1 5 0 ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖 8 0 ％后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。另外peter w.sutter 等使用的基质是稀有金属钌。加热 sic法该法是通过加热单晶6h-sic脱除si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min，从而形成极薄的石墨层，经过几年的探索，berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。　　一条以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（free standing）石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。化学还原法化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/ml的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在1 0 0℃回流2 4 h ，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。sasha stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。化学解理法化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解理开，得到石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法，天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。二、石墨烯具有强度高、重量轻、导电和抗腐蚀性的特点。石墨烯的片层非常薄，只有一个原子的厚度。石墨烯是一种顶级新材料。它由仅仅一个原子厚度的呈六边形排列的碳原子组成，它也是目前发现的最薄的电子材料。石墨烯的质量非常小，一个立方米的重量仅仅有0.77克。尽管石墨烯轻如鸿毛，其强度却是同等厚度钢的100倍。它的导热性和导电性均比铜好，并且具有优良的光学和机械性能。如果能够规模化生产，石墨烯将给电子和**衣领域带来**性的进步。最近，欧盟向芬兰诺基亚公司拨款13亿美元，用于石墨烯的商业化。石墨烯将给以下十个领域带来巨变——有些比你想象的还要快。1.防锈石墨烯不溶于水，可以与聚合物混合作为防锈涂层石墨烯不溶于水并且具有高导电性，与钢组合可以防止接触水并减缓氧化铁的电化学反应。纽约州立大学布法罗分校的化学家设计了含有这种奇特碳形态的聚合物涂层，他们在钢上喷涂涂层,，然后将涂层浸泡入盐水中，看看它能否保持不生锈。一个月后，化学家们惊奇地发现，钢表面没有一丝锈迹出现。通过使用这种涂料，可以使汽车一辈子不生锈。2.扬声器石墨烯通过传输电流产生的热能而发声。德克萨斯大学的研究人员将一层小于一纳米厚的石墨烯放在玻璃和两种不同类型的塑料上。接下来，通过施加交流电，这些材料就可以产生声音。石墨烯扬声器很薄，他们通过电流产生的热能而发声，而不是通过隔膜振动，因此可以做成任何形状。3. 超级电容配备石墨烯超级电容的电脑芯片有望淘汰电池。电容依靠双电层储存电能，并且迅速放电；它在电子产品中非常常见，并用于为相机闪光灯提供能量。电容可以存储大量的电能，使用多层碳原子的超级电容则可以存储更多的电能，但是单位质量的电容无法储存过多的能量，这也是电子产品需要配备电池的原因。石墨烯有望改变这一现状。它可以通过激光蚀刻创造更大的表面积，使石墨烯电容可以储存更多的能量，并支持更多的充放电次数。将来，石墨烯超级电容可以为电子产品甚至电动汽车提供电力。4. 清理放射性废弃物石墨烯的氧化物微粒同放射性污染物结合可以使核废料清除变得安全、便宜。氧化石墨烯吸附放射性废料的能力非常强大，莱斯大学和罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的研究人员发现，石墨烯氧化物微粒可以结合放射性污染物，并且聚集成团，非常便于后期收集。5. 柔性电子线路第一个石墨烯集成电路由ibm研发人员成功研制。硅半导体芯片赋予计算机智能。它可以处理构成数字信息的基本单元的二进制代码为1s和0s。石墨烯比硅具有更好的导电性，它使用更少的电力，产生更少的热量，因此石墨烯在处理这些1s和0s极有可能比硅快得多。这意味着在不需要冷却风扇的条件下，笔记本电脑的运算速度可以提高50倍。过去两年，ibm等巨头开发了无线设备的石墨烯处理器，一个名叫数字核心设计的波兰公司，于今年4月宣布制造了一个可以在平板电脑上工作的处理器。随着制造工艺的改进，消费者有望在未来五年使用到第一批石墨烯处理器。6. 人工肌肉一层固定在聚合物上的石墨烯在有电流通过时会产生褶皱和伸展。石墨烯可以像纸张一样褶皱，但很难被抚平。杜克大学的科学家不久前将石墨烯固定在一个预拉伸的橡胶薄片上，当拉力撤销薄片松弛时，石墨烯依然贴合在橡胶薄片上，呈褶皱状。这个实验结果使得科学家们想到把石墨烯贴在聚合物上，当聚合物通入电流时，会发生伸缩现象，而这正是构成人造肌肉的关键部件。7. 探测** 石墨烯泡沫可探测低浓度**。石墨烯泡沫可探测到**中低浓度的**盐和氨。伦斯勒理工学院开发的一张邮票大小的传感器，有一天可能成为拆弹对携带的工具包中的标配。8. dna 测序石墨烯制成的泡沫过滤器可以用于dna测序通过控制石墨烯孔隙的大小，它有望成为一种筛选dna尺寸的过滤器，该功能可以让研究人员用比现有技术（人均约1000美元）更低的成本测序dna。目前，测序一个人基因组的成本大概是上述价格三到五倍，总部位于旧金山的life technologies公司，去年推出了一台机器从事这份工作。不幸的是，机器本身价格高达149000美元。9. **背心石墨烯和碳纳米管复合纤维比通常用于制备**背心的凯夫拉纤维具有更高的强度澳大利亚研究人员发现了一种制备比凯夫拉纤维更强的石墨烯复合纤维的方法。添加等量的石墨烯和碳纳米管制备超强纤维可用来制造**衣织物，这种纤维同样可用来强化其他材料。10. 夜视利用单层石墨烯作为底片，并在底片上添加硫化铅晶体，即可制成一个兼具高灵敏性和高柔韧性的夜视光电探测器。光电探测器是一种可以把光子转换成电子信号的电脑芯片，每一个数码相机都有一个由硅制成的光电探测器。frank koppens和他在巴塞罗那光子科学研究所的同事们通过掺杂一层硫化铅的石墨烯制作了一个超灵敏和灵活的光电探测器，这种技术可以制造更薄的相机和更轻的夜视镜。 20210311

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