石墨烯的似锦前程

2017-12-18 03:56:01 12
重庆君正转发:  石墨烯是一种单层碳原子构造,其在2003年首先由Andre Geim 和 Konstantin Novoselov制备,并由此分享了2010年诺贝尔物理学奖。人们关于石墨烯的实践预测其实很早就存在。1961年首先由慕尼黑大学化学家Hanns-Peter Boehm通过TEM表征,而在1994年的一次报告中被正式命名。由于这种材料具有十分卓越的物理性质,因此立刻成为了钻研人员争相追逐的对象。就物理性质而言,石墨烯的强度是等同重量的钢材的200倍,其拉伸强度也是迄今为止发现的材料中最高的。不只如此,其比外表积也是碳纳米管的3倍;其是非半导体,导电才干特别好;它的电阻率比银低;其具有共同的光学性质;而且其导热才干也很强。依据市场钻研公司的预测,石墨烯市场在2014年抵达150万至200万美圆,而到了2020年这个数字将变成1400万至1600万。石墨烯在将来五年的应用方向包括导电油墨、涂料以及储能和根底钻研等。关于石墨烯钻研人员来说,面临的一个严峻挑战是,找到一种可将其商业化的办法,、同时又能坚持其优越性能的办法。“大规模消费石墨烯的办法有很多,然而其中的一些办法有限制,例如比外表积、石墨烯层数的控制等。然而,机械剥离合适小规模消费,钻研型物理、生物和化学实验等。”Felix Miranda说。尽管遭遇了很多的波折和失败,但是钻研人员关于石墨烯的热情不减。2013年欧盟决定投资超越10亿美圆用于石墨烯基其他二维材料的钻研和开发。韩国和英国政府也别离投资了4千万和两千七百万用于类似的钻研。在美国,美国国家科学基金会,空军科学钻研办公室,能源部,NASA以及其他政府部门都成立了相应的基金用于优化石墨烯的性能,以便停止相应方面的应用。

  消费流程

  “一种常见的石墨烯消费流程是化学气相堆积法,但是也有其他办法,例如喷墨打印法。就在去年,三一学院先进材料和生物工程钻研小组消费了大量无缺陷少层的石墨烯。其他比较原始的办法包括机械剥离法和多壁碳纳米管的解离等。石墨烯也可以通过炫图法等办法来制备。”“氧化石墨烯的复原和石墨液剥离可以制备小片的石墨烯,但是CVD法则可制备大片的石墨烯。氧化石墨烯和石墨液剥离过程制备本钱低廉,并且会逐步实现规模化。然而,其毛病是片的尺寸较大,且具有很多的缺陷。目前通过CVD法取得的石墨烯质量是较好的。”Ivan Vlassiouk说。通过CVD法,Vlassiouk的钻研小组已经开发了高分子聚合物,其中包括单层原子厚的六边形碳原子。“在我们的这项钻研工作之前,石墨烯的机械性能只能在微米尺度上体现。我们将尺度停止了拓宽,从而增加了其走向市场的可能性。”Vlassiouk说。他们制备的复合构造包括多层石墨烯。该纳米复合材料层是导电的,而石墨烯的使用量只是目前正在使用的石墨烯量的50分之一。MIT的钻研人员也宣布了一项以CVD为根底的石墨烯合成办法。该过程是对MIT已经使用过的办法停止改进得到的。该新MIT系统采纳了类似的化学蒸汽,但是腔室有两个管,一个套着另外一个。流入管中的气体通过准确放置的孔,从而使得衬底按顺序暴露于气体中。当带状物以25mm/min经过腔室时,可以造成高质量的单层石墨烯;当辊轧速度进步20倍时,其依然可得到石墨烯涂层,但是其质量降低,具有更多的缺陷。“一些应用可能会须要高质量的石墨烯,但是一些领域只须要质量稍低一点的石墨烯即可。接下来的工作将是对基板停止预解决,从而可以除掉不想要的缺陷,进步石墨烯片的质量。”A. John Hart说。西北大学的钻研人员开发了一种新的办法来用石墨烯基墨水打印大型3D构造。之前的类似的尝试招致了相对低的负载,而这并不能充分利用石墨烯的性质。而当石墨烯的体积增大时,会产生脆性构造。由Ramille Shah指导的团队开发了一种可使用60%至70%的石墨烯墨水。“这种墨水经过挤压后,由于溶剂的蒸发从而产生了固化。由于有其他溶剂以及与聚合物粘结剂的互相接触有助于进步构造的性能。由于其可以坚持固有形状,因此我们可以建造大型物体。”Shah说。不只美国实验室的钻研人员在石墨烯路线上高歌猛进,来自韩国的钻研团队也不甘示弱,一些亚洲公司也正在积极开发大片石墨烯。这些钻研人员也正在努力朝着装置开发的方向努力。

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  特殊用途

  石墨烯基应用等可以利用石墨烯共同的强度,这些强度关于电子设施是十分有利的。“在2014年早期,IBM的Shu-Jen报道了由晶片规模的石墨烯制备的全功能ICs,其性能是之前的材料的1000倍。IBM旨在进步无线装置通讯速度的现状,并为碳基电子设施铺平路线。”Miranda说。石墨烯在电子方面的另一个应用包括3D超级电容器。通过使用莱斯大学实验室开发的激光诱导石墨烯技术,钻研人员发现将激光聚焦在聚合物上,通过解决掉其他元素,可留下一层多孔石墨烯。因此钻研人员可以在聚合物层的两面取得垂直排列的超级电容器。这些超级电容器的能量存储才干十分大,并且可以停止商业化消费。石墨烯在电子方面的另一个应用包括参与到二氧化钛中作为锂离子电池的电极。由于石墨烯的参与,其充放电才干进步了3倍。来自曼彻斯特大学的钻研人员也尝试将3D打印石墨烯用于合成轻巧的天线。所得天线具有实际可接受的回波损耗、增益、带宽和辐射形式等。

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  选择

  “尽管有很多公司都声称具有大量制备石墨烯的才干,但是在石墨烯的优化方面仍有很大空间。因此,根底石墨烯应用依然会是接下来五年的钻研重点。”Miranda说。较近的一项市场调查标明,石墨烯有望成为下一个碳纳米管。剖析标明,石墨烯不会沿着硅元素的步调,而是会有更加宽泛的用途。

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