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Nature论文石墨烯获得突破性进展
- by wittx 2020-03-07
石墨烯拥有，最薄、最轻、最强、最硬、极好的导电率，极好的导热性。
目前的石墨烯的合成有两种方法。
1、大多数石墨烯的制备方法都是自上而下的，通过剥离石墨，往往需要大量的溶剂以及高能混合、剪切、超声波和电化学处理。为了促进剥离，将石墨烯进行化学氧化，变成氧化石墨烯，之后对其还原获得剥离的石墨烯。这一过程往往需要苛刻的氧化剂，并且通过这一方法获得的石墨烯往往具有缺陷。
2、自下而上合成石墨烯：比如采用化学气相沉积或先进的有机合成方法，这一方法合成的石墨烯质量高，缺陷少，缺点是产率低。
美国莱斯大学James M. Tour、Boris I. Yakobson和C-Crete科技公司的Rouzbeh Shahsavari合作，通过廉价的焦耳热闪蒸技术（flash Joule heating，FJH）可以将任何来源的碳，无论是石油焦碳、煤炭、碳黑、食品废弃物、橡胶轮胎还是塑料垃圾，统统在不到100毫秒的时间内变成石墨烯，并实现克级制备！相关论文以“Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis”为题，于2020年1月27日发表在《Nature》上，第一作者为：Duy X. Luong。同一时间《Science》杂志发表了题目为《电力：将垃圾转变为石墨烯！》（Electricity turns garbage into graphene）的报道。
如图1（a）所示非晶态导电碳粉在两个电极之间轻微压缩，放入石英或陶瓷管内，气压维持在大气压或者微弱的真空下（~10mm Hg）。电极材料可以是铜、石墨或任何导电耐火的材料。电容器组高压放电使碳源在不到100毫秒的时间内达到3000 K以上的温度，有效地将非晶碳转化为涡轮堆叠的石墨烯。研究人员将焦耳热闪蒸技术获得的石墨烯命名为Flash graphene (FG，闪蒸石墨烯），层层堆叠的闪蒸石墨烯表现出涡轮层堆叠。FG的合成不使用熔炉，不需要溶剂、反应气体。产量取决于碳源的碳含量。当使用高碳含量碳源时，如炭黑、无烟煤或焦炭，FG产率在80%-90%之间，碳纯度大于99%，无需净化步骤。拉曼光谱分析显示FG的D带强度低甚至没有，表明FG是迄今为止报道的缺陷最少的石墨烯材料之一，同时FG的涡轮层状堆积，这与涡轮层石墨有着明显区别。这种无序取向有利于其在复合过程中快速剥离。每克FG合成所需的电能成本仅为7.2千焦耳（小编进行粗略的计算：1度电=1千瓦时=1000W*3600S=3600千焦耳，粗略估算一度电能合成500g石墨烯，按照一度电5毛3来算，也就是说未来一公斤石墨烯电力成本低至1.06元……未来石墨烯可能比白菜还便宜），该方法获得的石墨烯成本低廉，低到可以和塑料、金属、胶合板、混凝土和其他建筑材料进行复合，广泛用于复合材料。
图1.通过不同碳源合成FG。
（a）闪速焦耳加热工艺示意图，以及闪蒸过程中的温升与时间的关系图（插图）；
（b）咖啡作为碳源的FG的HR-TEM照片；
（e）不同碳源合成的FG的拉曼、XRD、TEM照片
早在2014年James M. Tour采用激光诱导碳黑转化为石墨烯，短暂的脉冲将碳黑加热到3000 K以上，使得碳原子间键断裂，随着碳原子的电子云冷却，形成最稳定的结构即石墨烯。既然激光可以，那么热呢？Tour的研究生Duy X. Luong设想是否可以通过加热碳源来生产石墨烯？起初他在一个透明的玻璃瓶中放了一点炭黑，用400V的电压轰击了大约200毫秒，然而并没有成功。但经过一系列调整，他成功地创造出明亮、黄白的色闪光，表明小瓶内的温度达到了3000K，经化学测试表明他成功的合成了石墨烯。
转自: https://www.sciencemag.org/news/2020/01/electricity-turns-garbage-graphene
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