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鐵係氧化劑新方法有望突破石墨烯大規模工業生產難題

本報訊 “生產實驗數據顯示,用新方法在1個小時之內,就能做出這樣的單層氧化石墨烯,未來有望在工業領域大規模應用。”近日,在浙江大學高分子係一個裝滿了瓶瓶罐罐的實驗室中,該係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。

《自然—通訊》雜誌日前發表了一篇由高超課題組完成的石墨烯製備研究成果。該成果避開現有石墨烯製備方法的諸多缺陷,突破了傳統氧化石墨烯製備方法,找到了一條低成本製備單層石墨烯的“綠色”路線。

石墨烯是一種由單層碳原子構成的類似正六角形的“蜂窩狀”薄片。“20萬片石墨烯加在一起,才相當於人類的一根頭發絲粗細。”高超向記者介紹說,此前碳的這種二維結構形式一直存在於科學家的猜想中,卻一直難以實現,其中的關鍵性難題就是如何把石墨分層到極薄的薄片。

2004年,英國曼徹斯特大學的海姆和諾沃肖洛夫最終製成了厚度隻有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年度諾貝爾物理學獎。目前,由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來的機械剝離法已成為實驗室製備石墨烯的一種常用方法。然而,該方法局限性十分明顯,製成的是不同層數的石墨烯混合物,難以大規模製備單層石墨烯。

在高超看來,石墨烯若要真正實現應用,有三個關鍵問題需要解決: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。“宏觀材料問題已經基本解決了,最根本的原料問題仍然處於探索之中。”他說。

經過多年探索,該研究團隊終於發現了一種新型、廉價、無毒的鐵係氧化劑,取代了沿用半個多世紀的氯係、錳係氧化劑,使石墨烯製備過程快、成本低、無汙染,適用於工業化大規模製備。《自然—通訊》審稿人評價:“該方法對石墨烯未來的進一步應用具有重要意義。”

關於新的石墨烯生成技術,高超解釋說,鐵氧化劑分子的“奔跑”速度非常快,可以像楔子一樣,快速穿插進入石墨內部,使其快速分層。“在此過程中,還會產生氧氣,這些氣體會幫助其‘頂’開層層石墨,使製備速度加快。”他說。

這種製備方法之所以很“綠色”,是因為它沒有爆炸隱患,不會產生有害物質,屬於環境友好型技術。同時,生產實驗數據顯示,該方法在1個小時內就可以製備單層石墨烯,有望實現大規模工業應用。此外,在鐵係氧化劑溶液中製得後,可以收幹還原成為石墨烯粉末;在製作材料時,又能“速溶”於溶劑。這一特性可以讓石墨烯原料便於保存和運輸。

此次研究的成功並非一蹴而就。據了解,課題組此前已用石墨烯製作出多種形式的宏觀材料和超級電容器、鋰電池等器件。

高超的實驗室環境也展現了他們的研究曆程。在那裏,記者看到大大小小的玻璃瓶中裝著形態各異的石墨烯材料;有實驗室拍攝的入選《自然》雜誌2011年度圖片的石墨烯打結圖;甚至實驗室纖細的文竹葉子上也“漂浮”著入選2013年度世界最輕固體材料紀錄的石墨烯彈性氣凝膠;還有像電影膠片一樣、每分鍾可以“紡”10米的連續石墨烯薄膜……高超介紹說,正是在此基礎上,他們才開始考慮如何在原料層麵突破現有難題,推動單層石墨烯規模化、低成本製備。(崔雪芹 周煒)

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