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浙大科学家发明绿色方法可1小时制备单层石墨烯

2015-02-03    来源:

用新方法快速制备单层氧化石墨烯的反应原理,氧化石墨烯经还原处理即得石墨烯

         用石墨烯粉末再溶解后制备的宏观石墨烯纤维、膜、气凝胶及其微观结构


        石墨烯,科学界的热点材料,工业界的新宠,却一直没有快捷而安全性高的工业制备方法。浙江大学高分子系的高超教授课题组,避开了现有方法的诸多缺陷,找到了一条制备单层石墨烯的“绿色”路线,过程快、成本低、无污染,适用于工业化大规模制备。

    1月21日,相关学术论文“An iron-based green approach to 1-h production
of single-layer graphene oxide”发表在《自然》杂志子刊 Nature Communications (《自然通讯》)杂志上。杂志审稿人认为,这种方法突破了传统的氧化石墨(烯)制备方法,对石墨烯在未来的进一步应用具有重要意义。


    寻找石墨变薄之方

    石墨烯是一层碳原子形成的薄片,原子之间形成一个六角形的环,环环相连形成蜂窝状的平面。20万片石墨烯加在一起,相当于一根头发丝那么粗。此前,碳的这种二维结构形式一直存在于人们的猜想中,却一直做不出来。关键的难题,就是怎样让石墨分层到极薄的薄片。

    2004年,英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫,用透明胶将一块石墨片反复粘贴与撕开,石墨片的厚度逐渐减小,最终形成了厚度只有0.335纳米的石墨烯。这是世界上第一次得到单层的石墨烯,两位科学家因此而获得2010年度诺贝尔物理学奖。目前,胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法,已经成为实验室制备石墨烯的一种方法,然而,这一方法的局限性很明显,所得产物为不同层数石墨烯的混合物,难以大规模制备单层石墨烯。

    科学家找到了另一条路,氧化还原法,先将石墨氧化成“层层细分”的氧化石墨烯薄片,再经过还原反应,得到石墨烯。国际上最有名的是Brodie法(1859年),Staudenmaier法(1898年)和Hummers法(1958年),均以科学家的名字命名。但是,这些方法要么存在爆炸性的隐患,要么会产生重金属污染或者有毒气体,同时制备时间至少在10小时以上,制备过程中得非常小心。以最常见的Hummers法为例,它是利用高锰酸钾当氧化剂,生产过程中产生的锰离子会造成重金属污染,且氧化锰中间体也很容易发生爆炸。

    新方法可用于大规模量产

    高超教授课题组经过多年探索,发现了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂,取代了沿用半个多世纪的氯系、锰系氧化剂。“我们发现,这种铁氧化剂分子的‘奔跑’速度很快,能像楔子一般,快速穿插进入石墨内部,让石墨很快分层。这一过程中还会产生氧气,而气体会帮助‘顶’开层层石墨,让制备速度加快。”高超说,这种方法很“绿色”:没有爆炸隐患,不会产生有害物质,对环境友好。同时,生产实验数据显示,这种方法做单层氧化石墨烯,在一个小时之内就能完成,有望在工业上大规模应用。

    高超给记者展示了一种类似于咖啡粉的褐色粉末,这就是用“绿色”方式制备的单层氧化石墨烯。据介绍,这一原料在溶液中制得后,可以收干还原成为石墨烯粉末,在制作材料时,又能“速溶”于溶剂。高超解释,这一特性能让石墨烯原料便于保存和运输。

    奇妙的石墨烯世界

    “原料、材料、器件”是科学家要考虑石墨烯应用的三个重要问题,高超说,之前课题组已经用石墨烯做出了多种形式的宏观材料和超级电容器、锂电池等器件,“我们就进一步考虑,怎样能在原料的层面去突破现有的难题,来推动单层石墨烯的规模化、低成本制备及现实应用。”

    在高超教授的实验室,大大小小的玻璃瓶里装着形态各异的石墨烯宏观材料。有缠绕在圆柱体上的石墨烯纤维,高强、高韧、高导的纤维,实验室拍摄的石墨烯打结图入选了Nature 2011年度图片;有“飘浮”在文竹纤细的叶子上不掉下来的石墨烯弹性气凝胶,是2013年世界最轻固体材料记录的创造者;还有像电影胶片一样的连续石墨烯薄膜,每分钟可以“纺”10米,它是未来手机导热膜、超级电容器、飞机除冰的理想材料。