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我国科学家实现等离子体制备石墨烯

在人类进化发展的几千年历史长河中,各种各样的材料都做出了不可磨灭的重要贡献。自石器时代起,人类使用的主要材料就在不断更新。从铁器、青铜器、瓷器,到现代的塑料、纤维、橡胶、钢铁水泥等,再到目前应用广泛的半导体、超导、光纤等复合高分子材料,每一种新型材料的诞生与应用,都象征着时代的不断进步和更迭。

对于下一个可能会影响人类文明发展的材料是什么,2010年诺贝尔物理学奖得主、英国曼彻斯特大学物理学教授安德烈·海姆给出了答案。在近日举行的2019中国科幻大会“科技与未来”专题论坛上,安德烈·海姆提及,二维材料会是未来材料学的主要发展方向。作为诺奖得主之一,安德烈对于材料科学最重要的贡献就是成功从石墨残片中分离出石墨烯。

近日,我国科学技术大学工程科学学院的夏维东教授带领的研究团队,与其合编辑合肥碳艺科技有限企业共同提出“利用磁分散电弧产生大面积均匀热等离子体合成石墨烯”的新方法。这一研究进程有望突破热等离子体工艺或高能耗、或产品均匀性低和生产稳定性不足的技术瓶颈,从而实现石墨烯材料的大规模连续生产。

石墨烯是一类从石墨中剥离出来的二维碳纳米材料,其具有优异的光学、电学、力学、热学性能及生物化学性质,因此被认为是一种未来革命性的功能材料。然而,由于缺乏成熟的理论体系,对于石墨烯制备技术的研究虽时有进展,但始终难以实现大规模稳定制备,制约着其走向产业化发展的步伐。所以,如何改进石墨烯制备方法,运用前沿科学技术生产质量优异的大量石墨烯产品,成为促进石墨烯技术的发展进程的一个关键问题。

目前应用广泛的石墨烯制备方法主要有微机械剥离法、外延生长法、氧化还原法及化学气相沉积法几种。其中微机械剥离法生产效率低、而外延生长法虽然可以获得高质量石墨烯,但对设备要求高,这两种方法均无法工业化大面积生产。化学气相沉淀法和氧化还原法虽然可以大规模生产,但化学气相沉淀法所制备出的石墨烯的厚度难以控制,且在沉淀过程中只有小部分的碳转变成石墨烯,转移过程复杂。利用氧化还原法制备时,由于单层石墨烯很薄,容易团聚,会降低石墨烯的导电性能及比表面积,而且氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷,影响其应用。

此外,采用射频感应加热和微波加热等离子体制备石墨烯也是现阶段的一种新方法,但这一过程能耗高,对于合成石墨烯的要求为毫秒级反应时间,且难以实现均匀加热,因此也难以工业化应用。

虽然制备难度很大,但鉴于石墨烯高于其他化工材料的优异性质,在制备方法上寻求突破,真正实现石墨烯应用的产业化才更值得期待。只有适合工业化生产的制备技术出现了,才是材料科学进入下一个时代的真正标志。

(资料来源:中国科学院)

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