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新技术使垃圾化身石墨烯

[日期:2020-02-10]   来源:中国科学报    作者:   [字体: ]

近日,美国莱斯大学研究人员在《自然》上报道,他们可以将从食物残渣到汽车旧轮胎的任何含碳固体转化成石墨烯。如今,从高强度塑料到柔性电子产品,由石墨烯制成的材料使用范围十分广泛。现有技术只能生产极少量的“完美”石墨烯,而在实验室里,这种新方法已经可以每天生产出几克近乎原始的石墨烯,研究人员现在正在扩大其产能至每天数公斤。

石墨烯的碳原子薄片像六角细铁丝网一样排列,其强度比钢高,导电、导热性能优于铜,可作为防止金属生锈的不透水屏障。但是,自2004年被发现以来,高质量石墨烯无论单层还是多层的工业规模制造和提纯都价格不菲。对于制造发光二极管等小型器件来说,这不成问题,但对于大批量应用而言,则成本太高。而高产量的生产方法,如从大块矿物石墨中剥离石墨烯,则会产生多达50层的石墨烯片,这对大多数应用来说并不理想。

2014年,莱斯大学化学家James Tour和同事发现,可以用激光击破一种叫做炭黑的无定形碳,从而制造出一种只有几层厚的纯石墨烯。短暂的脉冲将碳加热到3000开尔文以上,使碳原子间的键断裂。当碳冷却后,它会聚合成最稳定的结构——石墨烯。但这种方法制备的石墨烯仍然很少,并且要消耗大量能量。

两年前,Tour的研究生Luong Xuan Duy注意到,其他研究者通过电击一种材料,制造出了金属纳米颗粒,同时产生了同样短暂的热冲击波。

“我想知道是否可以用它来加热碳源并产生石墨烯。”Duy说。

他在一个透明的玻璃瓶中放入一小块炭黑,并用400伏特的电压轰击了约200毫秒。一开始他得到了无用的东西,但稍作调整之后,他成功获得了一个明亮的黄白色闪光,这表明瓶内的温度达到3000开尔文左右。化学检测表明,他制备出了石墨烯。

这是一种理想的能够大批量使用的石墨烯。当碳原子凝聚形成石墨烯时,它们并未像在石墨中那样有规律地堆积,而是成为一种涡轮态堆叠——石墨烯层以各种角度相互交错的石墨烯材料。当在水或其他溶剂中时,涡轮态堆叠的石墨烯的每一层都能与加入的任何复合材料相互作用。





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