我國科學(xué)家實現(xiàn)等離子體制備石墨烯

在人類進化發(fā)展的幾千年歷史長河中，各種各樣的材料都做出了不可磨滅的重要貢獻。自石器時代起，人類使用的主要材料就在不斷更新。從鐵器、青銅器、瓷器，到現(xiàn)代的塑料、纖維、橡膠、鋼鐵水泥等，再到目前應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體、超導(dǎo)、光纖等復(fù)合高分子材料，每一種新型材料的誕生與應(yīng)用，都象征著時代的不斷進步和更迭。

對于下一個可能會影響人類文明發(fā)展的材料是什么，2010年諾貝爾物理學(xué)獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授安德烈·海姆給出了答案。在近日舉行的2019中國科幻大會“科技與未來”專題論壇上，安德烈·海姆提及，二維材料會是未來材料學(xué)的主要發(fā)展方向。作為諾獎得主之一，安德烈對于材料科學(xué)最重要的貢獻就是成功從石墨殘片中分離出石墨烯。

近日，我國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院的夏維東教授帶領(lǐng)的研究團隊，與其合作者合肥碳藝科技有限公司共同提出“利用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻熱等離子體合成石墨烯”的新方法。這一研究進程有望突破熱等離子體工藝或高能耗、或產(chǎn)品均勻性低和生產(chǎn)穩(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸，從而實現(xiàn)石墨烯材料的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。

石墨烯是一類從石墨中剝離出來的二維碳納米材料，其具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性能及生物化學(xué)性質(zhì)，因此被認(rèn)為是一種未來革命性的功能材料。然而，由于缺乏成熟的理論體系，對于石墨烯制備技術(shù)的研究雖時有進展，但始終難以實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定制備，制約著其走向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐。所以，如何改進石墨烯制備方法，運用前沿科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)異的大量石墨烯產(chǎn)品，成為促進石墨烯技術(shù)的發(fā)展進程的一個關(guān)鍵問題。

目前應(yīng)用廣泛的石墨烯制備方法主要有微機械剝離法、外延生長法、氧化還原法及化學(xué)氣相沉積法幾種。其中微機械剝離法生產(chǎn)效率低、而外延生長法雖然可以獲得高質(zhì)量石墨烯，但對設(shè)備要求高，這兩種方法均無法工業(yè)化大面積生產(chǎn)。化學(xué)氣相沉淀法和氧化還原法雖然可以大規(guī)模生產(chǎn)，但化學(xué)氣相沉淀法所制備出的石墨烯的厚度難以控制，且在沉淀過程中只有小部分的碳轉(zhuǎn)變成石墨烯，轉(zhuǎn)移過程復(fù)雜。利用氧化還原法制備時，由于單層石墨烯很薄，容易團聚，會降低石墨烯的導(dǎo)電性能及比表面積，而且氧化還原過程中容易引起石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，影響其應(yīng)用。

此外，采用射頻感應(yīng)加熱和微波加熱等離子體制備石墨烯也是現(xiàn)階段的一種新方法，但這一過程能耗高，對于合成石墨烯的要求為毫秒級反應(yīng)時間，且難以實現(xiàn)均勻加熱，因此也難以工業(yè)化應(yīng)用。

雖然制備難度很大，但鑒于石墨烯高于其他化工材料的優(yōu)異性質(zhì)，在制備方法上尋求突破，真正實現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化才更值得期待。只有適合工業(yè)化生產(chǎn)的制備技術(shù)出現(xiàn)了，才是材料科學(xué)進入下一個時代的真正標(biāo)志。

(資料來源：中國科學(xué)院)