石墨烯是近年來(lái)各國(guó)重視的一種新型材料，它具備多種特殊的物理性質(zhì)，在軍民領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。但是石墨烯的大規(guī)模工業(yè)制備一直是世界性難題。
最近浙江大學(xué)高分子系實(shí)驗(yàn)室取得了這方面的一個(gè)重要突破，通過(guò)使用新型的鐵系氧化劑取代傳統(tǒng)氧化劑，實(shí)現(xiàn)了快速、低成本、無(wú)污染制備石墨烯的新技術(shù)，有望解決這種材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難題。據(jù)悉，石墨烯在電子、光學(xué)等領(lǐng)域的前景極為廣闊。
“生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，用新方法在1個(gè)小時(shí)之內(nèi)，就能做出這樣的單層氧化石墨烯，未來(lái)有望在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。”近日，在浙江大學(xué)高分子系一個(gè)裝滿了瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)室中，該系教授高超一邊給記者展示一種類似咖啡粉的褐色粉末，一邊向記者介紹說(shuō)。
媒體日前發(fā)表了一篇由高超課題組完成的石墨烯制備研究成果。該成果避開(kāi)現(xiàn)有石墨烯制備方法的諸多缺陷，突破了傳統(tǒng)氧化石墨烯制備方法，找到了一條低成本制備單層石墨烯的“綠色”路線。
石墨烯是近年來(lái)各國(guó)重視的一種新型材料
石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的類似正六角形的“蜂窩狀”薄片。“20萬(wàn)片石墨烯加在一起，才相當(dāng)于人類的一根頭發(fā)絲粗細(xì)。”高超向記者介紹說(shuō)，此前碳的這種二維結(jié)構(gòu)形式一直存在于科學(xué)家的猜想中，卻一直難以實(shí)現(xiàn)，其中的關(guān)鍵性難題就是如何把石墨分層到極薄的薄片。
石墨烯
2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫最終制成了厚度只有0.335納米的石墨烯，這是世界上第一次得到單層石墨烯，兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來(lái)的機(jī)械剝離法已成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的一種常用方法。然而，該方法局限性十分明顯，制成的是不同層數(shù)的石墨烯混合物，難以大規(guī)模制備單層石墨烯。
在高超看來(lái)，石墨烯若要真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，有三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：原料、材料和器件。原料就是石墨烯，尤其是單層石墨烯；材料是石墨烯原料組裝成的宏觀材料；器件就是把材料做成有功能的裝備。“宏觀材料問(wèn)題已經(jīng)基本解決了，最根本的原料問(wèn)題仍然處于探索之中。”他說(shuō)。
經(jīng)過(guò)多年探索，該研究團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了一種新型、廉價(jià)、無(wú)毒的鐵系氧化劑，取代了沿用半個(gè)多世紀(jì)的氯系、錳系氧化劑，使石墨烯制備過(guò)程快、成本低、無(wú)污染，適用于工業(yè)化大規(guī)模制備。媒體審稿人評(píng)價(jià)：“該方法對(duì)石墨烯未來(lái)的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。”
關(guān)于新的石墨烯生成技術(shù)，高超解釋說(shuō)，鐵氧化劑分子的“奔跑”速度非?？欤梢韵裥ㄗ右粯?，快速穿插進(jìn)入石墨內(nèi)部，使其快速分層。“在此過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生氧氣，這些氣體會(huì)幫助其‘頂’開(kāi)層層石墨，使制備速度加快。”他說(shuō)。
這種制備方法之所以很“綠色”，是因?yàn)樗鼪](méi)有爆炸隱患，不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，屬于環(huán)境友好型技術(shù)。同時(shí)，生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該方法在1個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以制備單層石墨烯，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，在鐵系氧化劑溶液中制得后，可以收干還原成為石墨烯粉末；在制作材料時(shí)，又能“速溶”于溶劑。這一特性可以讓石墨烯原料便于保存和運(yùn)輸。
此次研究的成功并非一蹴而就。據(jù)了解，課題組此前已用石墨烯制作出多種形式的宏觀材料和超級(jí)電容器、鋰電池等器件。
高超的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也展現(xiàn)了他們的研究歷程。在那里，記者看到大大小小的玻璃瓶中裝著形態(tài)各異的石墨烯材料；有實(shí)驗(yàn)室拍攝的入選《自然》雜志2011年度圖片的石墨烯打結(jié)圖；甚至實(shí)驗(yàn)室纖細(xì)的文竹葉子上也“漂浮”著入選2013年度世界最輕固體材料紀(jì)錄的石墨烯彈性氣凝膠；
石墨烯
還有像電影膠片一樣、每分鐘可以“紡”10米的連續(xù)石墨烯薄膜……高超介紹說(shuō)，正是在此基礎(chǔ)上，他們才開(kāi)始考慮如何在原料層面突破現(xiàn)有難題，推動(dòng)單層石墨烯規(guī)?；?、低成本制備。
石墨烯的未來(lái)可能用途：
石墨烯將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率
碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨烯”具有很多出色的電特性、熱特性以及機(jī)械特性。具體來(lái)說(shuō)，具有在室溫下也高達(dá)20萬(wàn)cm2/Vs以上的載流子遷移率，以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅的對(duì)大電流密度的耐性。為此，石墨烯有看用于高速晶體管、觸摸面板、太陽(yáng)能電池用透明導(dǎo)電膜，以及成本低于銅但與銅相比可通過(guò)大電流的電線等。
最近，據(jù)國(guó)外媒報(bào)道，石墨烯擁有極強(qiáng)的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)更短、頻率更高的激光，持續(xù)時(shí)間為幾飛秒。科學(xué)家們表示，利用這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，未來(lái)他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射器（石墨烯超耐高溫）。
當(dāng)然，這個(gè)發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實(shí)驗(yàn)室，如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。
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