我國科學家實現(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，再到目前應用廣泛的半導體、超導、光纖等復合高分子材料，每一種新型材料的誕生與應用，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年諾貝爾物理學獎得主、英國曼徹斯特大學物理學教授安德烈·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，我國科學技術(shù)大學工程科學學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、電學、力學、熱學性能及生物化學性質(zhì)，因此被認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，影響其應用。

此外，采用射頻感應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時間，且難以實現(xiàn)均勻加熱，因此也難以工業(yè)化應用。

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，才是材料科學進入下一個時代的真正標志。

(資料來源：中國科學院)