“神奇”的石墨烯,廉价量产“虚火”疯烧

美国科学家寻找到这种有希望实现石墨烯廉价量产新方法,引起了我国科研人员的高度关注。那么,被称为“黑金”的石墨烯有着哪些特性?石墨烯单层与多层有何不同之处?我国石墨烯研发与应用处于何种状态?带着这些问题,科技日报记者走访了国内石墨烯的科研专家和相关生产企业负责人。

日前,有媒体报道美国堪萨斯州立大学的物理学家可能找到了廉价量产石墨烯的方法,通过这种方法生产石墨烯只需三个简单步骤和使用三种简单材料:烃类气体、氧和火花塞。发明这种方法的克里斯・索伦森申请并获得了专利。

“神奇”的石墨烯,廉价量产“虚火”疯烧

报道称,“他的方法是让含碳材料进行封闭式爆炸,主要来说,就是将氧气和乙炔或乙烯气体放入容器内,使用火花塞点燃气体进行封闭式爆炸。爆炸后就会形成石墨烯,这个过程简单、成本低,而且可能很容易地扩大规模用于工业化生产。”

美国科学家寻找到这种有希望实现石墨烯廉价量产新方法,引起了我国科研人员的高度关注。那么,被称为“黑金”的石墨烯有着哪些特性?石墨烯单层与多层有何不同之处?我国石墨烯研发与应用处于何种状态?带着这些问题,科技日报记者走访了国内石墨烯的科研专家和相关生产企业负责人。

环境风险面前,寻找石墨烯制备新方法

科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,将有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。为此,近10来全球从事这个领域研究的科学家们,都想在石墨烯的制备技术上力求尽快突破,并期望能早日实现量产,抢占国际市场制高点。

石墨是层状结构,层与层之间以范德华力相互作用,作用力较弱,很容易剥落,我们能用铅笔写字,就是由于这个原因。2004年,英国曼彻斯特大学的Geim等人利用胶带反复刮擦石墨片,直至获得单层的石墨,也就是石墨烯,打破了长期以来科学界认为严格的二维晶体无法在非绝对零度下存在的传统观点。江苏理工学院副教授唐煌说,“这种二维碳材料表现出优异的物理及化学性质,成为材料学、物理学、化学等领域的研究热点。”

唐煌介绍,石墨烯的制备方法很多,科研上主要有微机械剥离法,化学气相沉积法,外延生长法,氧化还原法(Hummers法)等,上述方法中,除了Hummers法,其他方法都有一些共同的特点,制备的石墨烯质量较高,是石墨烯研究中不可或缺的方法。但是产量很低,尺寸停留在纳米级到毫米级之间,同时从基底上转移石墨烯也很困难,无法产业化量产,只能局限于实验室的科学研究。

Hummers法先利用化学法氧化得到表面及边缘含有丰富官能团的石墨氧化物,此过程可以使石墨的层间距扩大,再通过外力剥离(如超声剥离)得到单原子厚度的石墨烯氧化物―氧化石墨烯(GO),然后进一步还原可制备得到石墨烯。目前,产业上这种方法用得较多,但该方法得到的石墨烯不完美,结构上有很多缺陷,科学界将其称为还原氧化石墨烯(rGO),同时该方法产生大量化学废液,存在一定的环境风险。

事实上,正是由于氧化还原法和液相剥离法在石墨烯制备上存在着明显的缺陷。其中,石墨烯如果是用化学氧化法来做,1吨石墨烯的粉料将产生20吨废酸,里面还夹杂重金属。因此,任何国家政府都没有办法支持它的产业化。因此,近年来,各国科学家又潜心寻找石墨烯制备的新方法。

“神奇”的石墨烯,廉价量产“虚火”疯烧

海洋化工研究院高级工程师孙春龙说,“类似克里斯・索伦森的爆炸法制备石墨烯,国内也有人研究过,但至今没听说过有成功量产的消息。该方法制备的石墨烯,应该是单层或少层。是不是单层或少层,可利用光学显微镜,原子力显微镜或拉曼光谱仪大体判断层级。目前国内石墨烯领域的消息相比前几年少了很多,似乎进展不大。”

多年从事研发的中国碳谷科技集团首席专家戴加龙说,“应该说,在国际石墨烯制备技术上,我国处于国际同步的水平。除了常用的氧化还原法和液相剥离法外,我们碳谷科技采取产学研联合攻关,使用优质大鳞片石墨为原料,通过微机械剥离方式制得少层石墨烯(通常在3到4层之间),其主要优点是径厚比大、生产过程无污染、保留了二维材料优秀的机械性能和电学性能。”

用中科院院士、北京大学纳米科学与技术研究中心主任刘忠范的话来说,“碳谷科技独特的分段式微机械剥分工艺,在当前国际石墨烯产业面临多种制约和瓶颈之下,开创了一条新的发展路径,为石墨烯产业的大规模应用,起到了很好的引领作用。”

市场需求虽大,石墨烯却难以量产

由于石墨烯的结构特点,决定了石墨烯具有薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构稳定,电子迁移速度快等特性,市场应用前景广阔,近10年来,石墨烯概念在全球受到广泛追捧,国内对石墨烯的研发与应用热度,也是“水涨船高”,持续不减。

然而,尽管市场需求大,但石墨烯却始终难以量产。为什么?唐煌说,“关键在于必须解决一些关键的技术难题。首先,如何大规模可控制备出高质量的石墨烯。其次,如何保持石墨烯稳定均匀地分散。现在,产业上也利用球磨石墨来获得石墨烯,其实这种方法最多获得的是少层石墨,利用石墨烯这个概念而已。”

唐煌告诉记者,现在,产业上也利用球磨石墨来获得石墨烯,其实这种方法最多获得的是少层石墨,利用石墨烯这个概念而已。目前,石墨烯在产业界缺乏统一的质量标准,大多数产品是rGO或者少层石墨。这些都是制约石墨烯产业化的巨大绊脚石,石墨烯的产业化依旧任重道远。”

单层与多层有何不同之处?唐煌如此解释,石墨烯根据其层数一般可以分成单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。其中,单层石墨烯是严格意义上的石墨烯,由一层苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。少层石墨烯是由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式堆垛构成的二维碳材料。当层数大于10层,一般称为多层石墨烯,或者称为少层石墨更确切,因为石墨烯的优异性能会随着层数的增加显著下降。业界认为,超过10层便不具备石墨烯材料的优异性能。

记者了解到,到目前,国际上还没有单层石墨烯量产。在国内,一些地方把石墨烯与石墨资源更是混为一谈,只要当地发现了石墨资源,就打出石墨烯的概念,而且各地依托石墨资源规划的石墨烯产业园千篇一律,同质化非常严重。

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