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中國突破石墨烯產(chǎn)業(yè)化難題 有望增加激光發(fā)射器壽命

星之球科技 來源:觀察者網(wǎng)2015-03-04 我要評(píng)論(0 )   

石墨烯產(chǎn)業(yè)化,中國突破石墨烯生產(chǎn)難題  石墨烯制備技術(shù)發(fā)展迅速。石墨烯優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景,極大的促進(jìn)了石墨烯制備

 石墨烯產(chǎn)業(yè)化,中國突破石墨烯生產(chǎn)難題

  石墨烯制備技術(shù)發(fā)展迅速。石墨烯優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景,極大的促進(jìn)了石墨烯制備技術(shù)的快速發(fā)展。但是石墨烯的大規(guī)模工業(yè)制備一直是世界性難題。最近浙江大學(xué)高分子系實(shí)驗(yàn)室取得了這方面的一個(gè)重要突破,通過使用新型的鐵系氧化劑取代傳統(tǒng)氧化劑,實(shí)現(xiàn)了快速、低成本、無污染制備石墨烯的新技術(shù),有望解決這種材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難題。據(jù)悉,石墨烯在電子、光學(xué)等領(lǐng)域的前景極為廣闊。

  “生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,用新方法在1個(gè)小時(shí)之內(nèi),就能做出這樣的單層氧化石墨烯,未來有望在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。”近日,在浙江大學(xué)高分子系一個(gè)裝滿了瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)室中,該系教授高超展示一種類似咖啡粉的褐色粉末。

  高超教授展示石墨烯材料

  石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的類似正六角形的“蜂窩狀”薄片。“20萬片石墨烯加在一起,才相當(dāng)于人類的一根頭發(fā)絲粗細(xì)。”高超向記者介紹說,此前碳的這種二維結(jié)構(gòu)形式一直存在于科學(xué)家的猜想中,卻一直難以實(shí)現(xiàn),其中的關(guān)鍵性難題就是如何把石墨分層到極薄的薄片。

  2004年,英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫最終制成了厚度只有0.335納米的石墨烯,這是世界上第一次得到單層石墨烯,兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前,由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來的機(jī)械剝離法已成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的一種常用方法。然而,該方法局限性十分明顯,制成的是不同層數(shù)的石墨烯混合物,難以大規(guī)模制備單層石墨烯。

  在高超看來,石墨烯若要真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,有三個(gè)關(guān)鍵問題需要解決:原料、材料和器件。原料就是石墨烯,尤其是單層石墨烯;材料是石墨烯原料組裝成的宏觀材料;器件就是把材料做成有功能的裝備。“宏觀材料問題已經(jīng)基本解決了,最根本的原料問題仍然處于探索之中。”他說。

  經(jīng)過多年探索,該研究團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了一種新型、廉價(jià)、無毒的鐵系氧化劑,取代了沿用半個(gè)多世紀(jì)的氯系、錳系氧化劑,使石墨烯制備過程快、成本低、無污染,適用于工業(yè)化大規(guī)模制備。“該方法對(duì)石墨烯未來的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。”專業(yè)人士表示

  浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備的石墨烯材料樣本

關(guān)于新的石墨烯生成技術(shù),高超解釋說,鐵氧化劑分子的“奔跑”速度非???,可以像楔子一樣,快速穿插進(jìn)入石墨內(nèi)部,使其快速分層。“在此過程中,還會(huì)產(chǎn)生氧氣,這些氣體會(huì)幫助其‘頂’開層層石墨,使制備速度加快。”他說。

  這種制備方法之所以很“綠色”,是因?yàn)樗鼪]有爆炸隱患,不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì),屬于環(huán)境友好型技術(shù)。同時(shí),生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,該方法在1個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以制備單層石墨烯,有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外,在鐵系氧化劑溶液中制得后,可以收干還原成為石墨烯粉末;在制作材料時(shí),又能“速溶”于溶劑。這一特性可以讓石墨烯原料便于保存和運(yùn)輸。

  此次研究的成功并非一蹴而就。據(jù)了解,課題組此前已用石墨烯制作出多種形式的宏觀材料和超級(jí)電容器、鋰電池等器件。

  高超的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也展現(xiàn)了他們的研究歷程。在那里,記者看到大大小小的玻璃瓶中裝著形態(tài)各異的石墨烯材料;有實(shí)驗(yàn)室拍攝的入選《自然》雜志2011年度圖片的石墨烯打結(jié)圖;甚至實(shí)驗(yàn)室纖細(xì)的文竹葉子上也“漂浮”著入選2013年度世界最輕固體材料紀(jì)錄的石墨烯彈性氣凝膠;還有像電影膠片一樣、每分鐘可以“紡”10米的連續(xù)石墨烯薄膜……高超介紹說,正是在此基礎(chǔ)上,他們才開始考慮如何在原料層面突破現(xiàn)有難題,推動(dòng)單層石墨烯規(guī)?;⒌统杀局苽?。

  石墨烯的比重極低,幾根花蕊就可以支持一團(tuán)石墨烯材料

  石墨烯的未來可能用途

  碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨烯”具有很多出色的電特性、熱特性以及機(jī)械特性。具體來說,具有在室溫下也高達(dá)20萬cm2/Vs以上的載流子遷移率,以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銅的對(duì)大電流密度的耐性。為此,石墨烯有看用于高速晶體管、觸摸面板、太陽能電池用透明導(dǎo)電膜,以及成本低于銅但與銅相比可通過大電流的電線等。

  最近,據(jù)國外媒報(bào)道,石墨烯擁有極強(qiáng)的光吸收能力,并且還能把吸收的光波迅速轉(zhuǎn)化為波長更短、頻率更高的激光,持續(xù)時(shí)間為幾飛秒??茖W(xué)家們表示,利用這個(gè)新發(fā)現(xiàn),未來他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射器(石墨烯超耐高溫)。

  當(dāng)然,這個(gè)發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實(shí)驗(yàn)室,如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型,將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。

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