淺談石墨烯的材料制備方法與意義

郭婧怡 ??

摘 要： 石墨烯具備良好的光、電等特性，在原始和新興產(chǎn)業(yè)有著良好的發(fā)展前景，被看作是基礎(chǔ)材料的中心。但是，石墨烯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題是怎樣高成效、高利潤(rùn)地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的石墨烯。石墨烯是當(dāng)今戰(zhàn)略材料發(fā)展的重中之重，擁有平穩(wěn)、高效等良好的物理化學(xué)本能，能夠明顯加強(qiáng)復(fù)合材料的特征，最終達(dá)到復(fù)合材料在航天、軍用、電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等眾多范疇和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)有效運(yùn)用的目標(biāo)。研究者們正致力于對(duì)石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TQ127 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2236-1879（2018）11-0030-01

引言

現(xiàn)如今，世界還未完全達(dá)到石墨烯最優(yōu)的生產(chǎn)規(guī)模與運(yùn)用的目標(biāo)。這在一定程度上來(lái)說(shuō)，石墨烯是在其高質(zhì)量的前提下才可以產(chǎn)生，而且在層數(shù)上升和內(nèi)部劣勢(shì)明顯的情況下，石墨烯的眾多特征都會(huì)有所減少。所以，當(dāng)今商業(yè)化的石墨烯與大型規(guī)模領(lǐng)域的需求不匹配，這損害了石墨烯高特質(zhì)的規(guī)模運(yùn)用前景。與此同時(shí)，居高不下的酸性廢水將會(huì)給社會(huì)環(huán)境帶來(lái)非常嚴(yán)重的危害，倘若依靠原有的廢水處理法進(jìn)行過(guò)濾，那么肯定會(huì)加大人、財(cái)、物力的投入，這會(huì)導(dǎo)致石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)偏高，也會(huì)進(jìn)一步損害石墨烯的規(guī)模運(yùn)用和發(fā)展前景。因此，我們必須生產(chǎn)出健康、無(wú)污染的石墨烯工藝，最終達(dá)到排放量、耗能量低，高產(chǎn)量的目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)石墨烯高利潤(rùn)的目的。

1石墨烯的本質(zhì)

單層石墨烯的厚度僅為0.35 nm，是當(dāng)今世界輕薄度最好的材料；它在室溫下的電子遷移率為2×105 cm2·V-1·s-1并且受溫度變化影響??；熱導(dǎo)率高達(dá)5000 W·m-1·K-1，熱傳導(dǎo)性能好，抗拉強(qiáng)度超過(guò)130GPa，韌性較高[2]。

2石墨烯的制備方法

2.1 微機(jī)械剝離法。

Geim 等利用氧等離子束先在高定向熱解石墨表面刻蝕出寬20μm～2 mm、深5μm的微槽，經(jīng)過(guò)焙燒后從石墨上脫落出石墨薄片，將其用光刻膠轉(zhuǎn)移到玻璃襯底，并用透鏡膠帶反復(fù)撕揭，在此過(guò)程中產(chǎn)生單層石墨烯，超聲振蕩后將單晶硅片放入丙酮溶劑中，單層石墨烯在范德華作用力下吸附在硅片表面，此法簡(jiǎn)單能生產(chǎn)出高質(zhì)量石墨烯，但產(chǎn)率低無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生成石墨烯[3]。

2.2 外延生長(zhǎng)法。

用俄歇電子能譜確定樣品表面的氧化物被完全移除后，在超低真空（1.333×10-8 Pa）、高溫（1200～1450℃）條件下，恒溫1～20 min，熱分解單晶SiC去除其中的Si，剩下的C原子通過(guò)自組重構(gòu)，進(jìn)而得到面積與原有SiC薄片相當(dāng)?shù)氖┍印４朔ㄐ枰邷兀哒婵?，條件苛刻，難于投入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)[3]。

2.3 石墨插層法。

在天然鱗片石墨的基礎(chǔ)上，依附堿金屬變成插層劑，經(jīng)過(guò)插層劑與石墨相互作用以產(chǎn)生石墨層。

2.4 溶液剝離法。

通過(guò)直接把石墨溶解到有機(jī)溶劑內(nèi)，成為低濃度散液物質(zhì)，經(jīng)過(guò)超聲降低石墨層的范德華力，或利用加熱或氣流作用來(lái)生產(chǎn)出石墨烯[4]。其劣勢(shì)在于產(chǎn)出率不高，與大型生產(chǎn)不匹配。

2.5 化學(xué)氣相沉積法。

化學(xué)氣相沉積（CVD）經(jīng)過(guò)高溫會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)，使其固態(tài)物在溫度下降之后依附與金屬層面，這是生產(chǎn)半導(dǎo)體薄膜的中心環(huán)節(jié)[7]。同時(shí)，經(jīng)過(guò)高溫將氣體散落成碳和氫原子，使其固態(tài)物在溫度下降之后依附表面產(chǎn)生熱解碳，通過(guò)控制反應(yīng)條件，熱解碳成核、重排成長(zhǎng)成石墨烯[2]。此法被業(yè)界稱作是最有潛力生產(chǎn)出高效、高質(zhì)的石墨烯，是最優(yōu)的產(chǎn)業(yè)化形式。可以肯定地說(shuō)，石墨烯分離層經(jīng)過(guò)化學(xué)腐蝕減少的酸物質(zhì)，會(huì)造成社會(huì)環(huán)境的破壞，而且還會(huì)進(jìn)一步加大生產(chǎn)成本。所以，怎樣有效地獲得完好無(wú)損的石墨烯是此法的難點(diǎn)所在。

3 石墨烯規(guī)?；a(chǎn)的材料化學(xué)工程特征

顯而易見(jiàn)，石墨烯的未來(lái)走向會(huì)是傾盡全力地實(shí)現(xiàn)石墨烯層數(shù)和尺寸的分級(jí)，這樣的話，石墨烯才會(huì)被眾多規(guī)?；a(chǎn)業(yè)所應(yīng)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)石墨烯高產(chǎn)量、高利潤(rùn)，最終達(dá)到石墨烯產(chǎn)品在不同范疇內(nèi)的使用的目標(biāo)，從而進(jìn)一步強(qiáng)大我國(guó)的石墨烯在全球各地的崇高地位。但是，從古至今新材料的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)、潛在發(fā)展的新聞絡(luò)繹不絕，而能夠完全達(dá)到新材料規(guī)模化運(yùn)用不同領(lǐng)域的產(chǎn)品少之又少，其主要問(wèn)題就是沒(méi)有構(gòu)建新材料基礎(chǔ)，研究和生產(chǎn)技術(shù)沒(méi)有搭建良好的基礎(chǔ)。但是，新材料從本質(zhì)上來(lái)講，其組成部分繁雜，它們的生產(chǎn)和運(yùn)用往往會(huì)涵蓋化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜多樣性特點(diǎn)，所以怎樣達(dá)到由原始化學(xué)產(chǎn)品的高轉(zhuǎn)化和選擇的目的，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟我孕虏牧蠘?gòu)建為中心，是新材料產(chǎn)品工程需要解決的難點(diǎn)。與此同時(shí)，石墨烯產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題也是如此，其解決措施就是保證材料化學(xué)工程的發(fā)展，達(dá)到石墨烯新材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模生產(chǎn)的最終目標(biāo)。

石墨烯產(chǎn)業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的如何運(yùn)用和生產(chǎn)出高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品是其中心環(huán)節(jié)，需要保證材料化學(xué)工程的有效進(jìn)行，將其參與到石墨烯的生產(chǎn)中。經(jīng)過(guò)完善工藝技能和高效率低污染原則來(lái)減少對(duì)社會(huì)環(huán)境的危害，這樣的話能夠滿足石墨烯制備與資源、能源、環(huán)境三者之間的持續(xù)平衡穩(wěn)定。與此同時(shí)，在可控背景下對(duì)石墨烯的特質(zhì)和組成能夠有效把控，這就為石墨烯本質(zhì)上的高質(zhì)量、高利潤(rùn)生產(chǎn)給予有效地基礎(chǔ)支撐和技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，石墨烯的特質(zhì)能夠在不同范疇進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用是其不斷發(fā)展和創(chuàng)新的目標(biāo)。但是，石墨烯制備在廢水處理成本上升的情況下，會(huì)將石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)偏高，這會(huì)嚴(yán)重阻礙石墨烯在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的目的。隨著市場(chǎng)需要高質(zhì)量、低成本的石墨烯材料，所以我們必須依附于材料化學(xué)工程，當(dāng)前我們創(chuàng)造出了膜分離技術(shù)的制備技術(shù)，這給我們帶來(lái)了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。我們一定要相信材料化學(xué)工程的發(fā)展必然是石墨烯達(dá)到高質(zhì)量、高利潤(rùn)、低污染的石墨烯生產(chǎn)的有利解決辦法。

參考文獻(xiàn)

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[5] 袁小亞.石墨烯的制備研究進(jìn)展. （重慶交通大學(xué) 理學(xué)院， 重慶 400074）.