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被稱為有多種功能和應用的石墨烯,在現在的市場上沒有得到普及,本文從石墨烯的技術方面,討論石墨烯沒有得到普及的原因。
獨特的結構帶來的優異性能從某種程度而言也成為石墨烯材料普及的制約因素。從材料結構而言,單個碳原子層組成的二維材料,沒辦法單獨使用,而石墨烯自身化學鍵飽和,又很難和其他材料復合。
石墨烯材料的基礎科學研究,不斷追求更環保、更高質量、規模化的石墨烯材料制備技術,在從通常使用的強氧化技術,逐漸發展到少使用或不使用強酸強氧化劑的機械剪切剝離技術。這種剝離工藝和英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫最初從石墨材料中分離出石墨烯的方法如出一轍,即利用每個原子層之間相對微弱的結合力,用透明膠帶粘住石墨片層的兩面,反復粘貼撕開,直到獲得只有一層原子厚度的石墨烯。
看似簡單的提取方式雖然可以獲得高品質的石墨烯,但石墨烯的大小只能靠運氣且很難實現量產,因為1毫米厚的石墨薄片就能剝離出300萬層石墨烯。除此之外還有氧化還原法、化學氣相沉積法、超聲剝離法等。
多數化學方法制備的石墨烯,并不是純石墨烯,其實質為多層的石墨堆積,產品質量無法得到保障;化學氣相沉積制備石墨烯薄膜成本高,成品率低,難以進行批量化生產。
目前的石墨烯主要有兩種形態,一種是石墨烯薄膜,一種是類似炭黑的石墨烯粉體,兩者的應用方向也不盡相同。薄膜形態的石墨烯已經可以大規模生產,包括重慶墨希科技有限公司、常州二維碳素、無錫格非等公司。
目前市面上比較主流的石墨烯制備方法主要有兩種。其一是化學氣相沉淀CVD法,主要利用的是化學反應冷卻沉積的方式來沉積石墨烯。由于化學反應可控性不強,沉積所形成的石墨微片層數不穩定,其制備的石墨微片很難達到石墨烯的結構要求。第二種方法是氧化還原法,強氧化劑使石墨多層結構中,層與層之間的鏈接分開,從而得到石墨烯。這種方法市場認可,但是不能準確分離石墨層,并且化學反應會破壞石墨烯結構,產出的石墨微片很難達到市場化要求。
劉劍洪團隊針對石墨烯結構難以完整的問題研發了化學液相法,該方法直接從液態高分子經過一系列熱化學反應燒結成為石墨烯。經檢測,化學液相法生產的石墨烯經其結構與國際認可的單層石墨烯結構完全吻合。“只有完整的石墨烯結構才能發揮其卓越導電性的特效。”劉劍洪教授談到,“石墨烯產業的發展重點應該在于導電性上,若是由于技術瓶頸而放棄開發其導電性,轉而發展導熱性,利用高成本的石墨烯去達到電阻發熱的效果,是不符合市場發展趨勢的。
石墨烯如果要實現量化,企業需要在石墨烯的制備方向上繼續進行深入研究,實現石墨烯的產業化和應用。
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