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)鍵問題是怎樣高成效、高利潤地生產(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)有效運用的目標(biāo)。研究者們正致力于對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。

【中圖分類號】 TQ127 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 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)模與運用的目標(biāo)。這在一定程度上來說，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)部劣勢明顯的情況下，石墨烯的眾多特征都會有所減少。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)模運用前景。與此同時，居高不下的酸性廢水將會給社會環(huán)境帶來非常嚴(yán)重的危害，倘若依靠原有的廢水處理法進(jìn)行過濾，那么肯定會加大人、財、物力的投入，這會導(dǎo)致石墨烯的市場價格持續(xù)偏高，也會進(jìn)一步損害石墨烯的規(guī)模運用和發(fā)展前景。因此，我們必須生產(chǎn)出健康、無污染的石墨烯工藝，最終達(dá)到排放量、耗能量低，高產(chǎn)量的目標(biāo)，以實現(xiàn)石墨烯高利潤的目的。

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，此法簡單能生產(chǎn)出高質(zhì)量石墨烯，但產(chǎn)率低無法實現(xiàn)工業(yè)化生成石墨烯[3]。

2.2 外延生長法。

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原子通過自組重構(gòu)，進(jìn)而得到面積與原有SiC薄片相當(dāng)?shù)氖┍?。此法需要高溫，高真空，條件苛刻，難于投入實際工業(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)過超聲降低石墨層的范德華力，或利用加熱或氣流作用來生產(chǎn)出石墨烯[4]。其劣勢在于產(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)過高溫會產(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，經(jīng)過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，通過控制反應(yīng)條件，熱解碳成核、重排成長成石墨烯[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?？梢钥隙ǖ卣f，石墨烯分離層經(jīng)過化學(xué)腐蝕減少的酸物質(zhì)，會造成社會環(huán)境的破壞，而且還會進(jìn)一步加大生產(chǎn)成本。所以，怎樣有效地獲得完好無損的石墨烯是此法的難點所在。

3 石墨烯規(guī)?；a(chǎn)的材料化學(xué)工程特征

顯而易見，石墨烯的未來走向會是傾盡全力地實現(xiàn)石墨烯層數(shù)和尺寸的分級，這樣的話，石墨烯才會被眾多規(guī)?；a(chǎn)業(yè)所應(yīng)用，能夠有效實現(xiàn)石墨烯高產(chǎn)量、高利潤，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驗生產(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)?；\用不同領(lǐng)域的產(chǎn)品少之又少，其主要問題就是沒有構(gòu)建新材料基礎(chǔ)，研究和生產(chǎn)技術(shù)沒有搭建良好的基礎(chǔ)。但是，新材料從本質(zhì)上來講，其組成部分繁雜，它們的生產(chǎn)和運用往往會涵蓋化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜多樣性特點，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。與此同時，石墨烯產(chǎn)業(yè)化問題也是如此，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)過程中出現(xiàn)的如何運用和生產(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)過完善工藝技能和高效率低污染原則來減少對社會環(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，在可控背景下對石墨烯的特質(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、高利潤生產(chǎn)給予有效地基礎(chǔ)支撐和技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語

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，會將石墨烯的市場價格持續(xù)偏高，這會嚴(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)，這給我們帶來了非常可觀的經(jīng)濟(jì)、社會效益。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、低污染的石墨烯生產(chǎn)的有利解決辦法。

參考文獻(xiàn)

[1] 段淼，李四中，陳國華.機(jī)械法制備石墨烯的研究進(jìn)展[J].材料工程，2013（12）：85-91.

[2] 胡忠良，蔣海云，趙學(xué)輝，李娜，丁燕鴻.石墨烯制備的方法、特性及基本原理[J].材料導(dǎo)報，2014，28（11）：38-42.

[3] 姜麗麗，魯雄.石墨烯制備方法及研究進(jìn)展[J].功能材料，2012，43（23）：3185-3189+3193.

[4] 何大方，吳健，劉戰(zhàn)劍，沈麗明，汪懷遠(yuǎn)，暴寧鐘.面向應(yīng)用的石墨烯制備研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報，2015，66（08）：2888-2894.

[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）.