正確選用石墨烯剝離分散設備

正確選用石墨烯剝離分散設備

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上zui薄卻也是zui堅硬的納米材料，幾乎wan全透明，只吸收2.3%的光；導熱系數(shù)高達5300W/m，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/Vs，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-8Ω/m，比銅或銀更低，為世上電阻率zui小的材料（wan全摘自維基百科）。

石墨烯的主要合成方案

1）機械剝離法

　　當年Geim研究組就是利用3M的膠帶手工制備出了石墨烯的，但是這種方法產(chǎn)率極低而且得到的石墨烯尺寸很小，該方法顯然并不具備工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。

2）化學氣相沉積法（CVD）

　　化學氣相沉積法主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底（Cu箔）表面催化裂解沉積然后形成石墨烯。CVD法的優(yōu)點在于可以生長大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜，但缺點是成本高工藝復雜存在轉(zhuǎn)移的難題，而且生長出來的一般都是多晶。

　　3）氧化-還原法

　　氧化-還原法是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質(zhì)反應生成氧化石墨（GO），經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯，然后加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團后得到石墨烯。氧化-還原法制備成本較低容易實現(xiàn)，成為生產(chǎn)石墨烯的zui主流方法。但是該方法所產(chǎn)生的廢液對環(huán)境污染比較嚴重，所制備的石墨烯一般都是多層石墨烯或者石墨微晶而非嚴格意義上的石墨烯，并且產(chǎn)品存在缺陷而導致石墨烯部分電學和力學性能損失。

　　4）溶劑剝離法

　　溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，溶劑插入石墨層間，進行層層剝離而制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。缺點是成本較高并且產(chǎn)率很低，工業(yè)化生產(chǎn)比較困難。

　　當然，石墨烯的制備方法還有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學法等，這些方法都不及上述四種方法普遍。

　　不要混淆！！！還原氧化石墨烯，即RGO。一般來說，氧化石墨烯是由石墨經(jīng)強酸氧化，然后再經(jīng)過化學還原或者熱沖擊還原得到。目前市場上所謂的“石墨烯"絕大多數(shù)都是通過氧化-還原法生產(chǎn)的氧化石墨烯，石墨片層數(shù)目不等，表面存在大量的缺陷和官能團，無論是導電性、導熱性還是機械性都跟獲得諾貝爾獎的石墨烯是兩回事。嚴格意義上而言，它們并不能稱為“石墨烯"。

制備石墨烯的方法有很多。但歸納起來兩大類，一類是從大往小做，也叫自上而下法。例如，以石墨為原料，通過膠帶粘貼、氧化還原、液相插層和機械剝離等手段破壞石墨晶體的長程有序堆疊，得到單層或少數(shù)幾層的石墨烯。另一類是從小往大長，也叫自下而上法。例如，以含碳小分子等為前驅(qū)體，采用化學氣相沉積、外延生長和有機合成等方法將碳素組裝成石墨烯。

當前相對成熟的技術(shù)分別是，以氧化還原和液相插層為代表的大規(guī)模粉體，和以化學氣相沉積為代表的大面積薄膜。兩者生產(chǎn)工藝wan全不同，而產(chǎn)品應用領(lǐng)域也基本不重疊。前者通常以重量來計，可達公斤至噸級，產(chǎn)品剝離效率高、比表面積大、成本低，但缺陷多、可控性差，一般用作鋰電池和超級電容器電極導電填料，或用于塑料、油墨、涂料、金屬和陶瓷等多種基體的增強或功能填料，形成納米復合材料。而后者通常以面積來計量，依托其高透光率和面向電導率，通常作為透明電極用于觸摸屏和光伏等領(lǐng)域。

但是。當前主要瓶頸有兩點，一是低成本高品質(zhì)石墨烯原料的規(guī)模化生產(chǎn)，二是石墨烯的商業(yè)化應用。有人可能覺得個已不是問題，因為已有多個十噸乃至百噸級產(chǎn)線投產(chǎn)，規(guī)模化看似已迎刃而解。事實真是如此嗎？除了產(chǎn)能，我認為更重要的是品質(zhì)，因為原料的品質(zhì)直接決定其應用屬性。對于實際應用，純度是否足夠高？批次穩(wěn)定性如何？成本是否還有壓縮空間？生產(chǎn)過程可否更綠色？技術(shù)的進步永無止境，可靠的原料永遠是石墨烯產(chǎn)業(yè)化的基石。

對于第二點，我想大家談的比較多了，這是產(chǎn)品出路和價值體現(xiàn)的問題，非常關(guān)鍵，但也很難。作為一種新材料，石墨烯的qian十年屬于應用發(fā)散期，即大家認為石墨烯幾乎是的，然后在不同領(lǐng)域嘗試應用，是在做加法。目前，我們已步入應用集中期，要開始做減法了，因為大部分潛在應用在實踐中被證實并無實用價值，或是技術(shù)上，或是商業(yè)上。在這個階段，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的互動非常必要。我們必須面向用戶進行二次開發(fā)，去解決分散和成型等共性技術(shù)難題，讓石墨烯更接“地氣"。zui終交給用戶的，不僅是高品質(zhì)的材料，還有配套的應用解決方案，也就是solution。

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