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“神奇”的石墨烯,廉价量产“虚火”疯烧

  
 
  我国各省(自治区、直辖市)的石墨矿产资源,因所处的地理环境不同,构成的地质年代不同,各矿山层次不但差异很大,并且其可选性也有很大差异。例如,山东及内蒙古的矿石资源鳞片大,可选性好,但层次较低,一般在5%左右。在选矿时,一般经六磨八选可选出中碳产品,且丢掉率很小,这就是大鳞片石墨的长处。选矿时,石墨与泥沙却很难别离。尾矿外排时,因泥沙与石墨别离不净,往往丢掉较大,普遍选矿丢掉率在3%左右,严峻时达5%,浪费了许多资源。
 
  日前,有媒体报道美国堪萨斯州立大学的物理学家可能找到了廉价量产石墨烯的办法,经过这种办法出产石墨烯只需三个简略进程和运用三种简略资料:烃类气体、氧和火花塞。创造这种办法的克里斯・索伦森请求并取得了专利。
 
  报道称,“他的办法是让含碳资料进行封闭式爆破,主要来说,就是将氧气和乙炔或乙烯气体放入容器内,运用火花塞点着气体进行封闭式爆破。爆破后就会构成石墨烯,这个进程简略、成本低,并且可能很简单地扩展规划用于工业化出产。”
 
  美国科学家寻觅到这种有期望完成石墨烯廉价量产新办法,引起了我国科研人员的高度重视。那么,被称为“黑金”的石墨烯有着哪些特性?石墨烯单层与多层有何不同之处?我国石墨烯研制与运用处于何种状态?带着这些问题,科技日报记者走访了国内石墨烯的科研专家和相关出产企业负责人。
 
  环境危险面前,寻觅石墨烯制备新办法
 
  科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,将有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技能新工业革新。为此,近10来全球从事这个范畴研讨的科学家们,都想在石墨烯的制备技能上力求赶快打破,并期望能提前完成量产,抢占世界市场制高点。
 
  石墨是层状结构,层与层之间以范德华力相互作用,作用力较弱,很简单脱落,我们能用铅笔写字,就是由于这个原因。2004年,英国曼彻斯特大学的Geim等人运用胶带重复刮擦石墨片,直至取得单层的石墨,也就是石墨烯,打破了长期以来科学界以为严厉的二维晶体无法在非绝对零度下存在的传统观念。江苏理工学院副教授唐煌说,“这种二维碳资料表现出优异的物理及化学性质,成为资料学、物理学、化学等范畴的研讨热门。”
 
  唐煌介绍,石墨烯的制备办法许多,科研上主要有微机械剥离法,化学气相堆积法,外延生长法,氧化复原法(Hummers法)等,上述办法中,除了Hummers法,其他办法都有一些共同的特色,制备的石墨烯质量较高,是石墨烯研讨中不可或缺的办法。但是产量很低,尺度停留在纳米级到毫米级之间,一起从基底上搬运石墨烯也很困难,无法工业化量产,只能局限于实验室的科学研讨。
 
  Hummers法先运用化学法氧化得到外表及边缘含有丰富官能团的石墨氧化物,此进程能够使石墨的层距离扩展,再经过外力剥离(如超声剥离)得到单原子厚度的石墨烯氧化物―氧化石墨烯(GO),然后进一步复原可制备得到石墨烯。现在,工业上这种办法用得较多,但该办法得到的石墨烯不完美,结构上有许多缺点,科学界将其称为复原氧化石墨烯(rGO),一起该办法发生许多化学废液,存在必定的环境危险。
 
  事实上,正是由于氧化复原法和液相剥离法在石墨烯制备上存在着显着的缺点。其中,石墨烯如果是用化学氧化法来做,1吨石墨烯的粉料将发生20吨废酸,里面还搀杂重金属。因而,任何国家政府都没有办法支持它的工业化。因而,近年来,各国科学家又悉心寻觅石墨烯制备的新办法。
 
  海洋化工研讨院高级工程师孙春龙说,“相似克里斯・索伦森的爆破法制备石墨烯,国内也有人研讨过,但至今没听说过有成功量产的音讯。该办法制备的石墨烯,应该是单层或少层。是不是单层或少层,可运用光学显微镜,原子力显微镜或拉曼光谱仪大体判断层级。现在国内石墨烯范畴的音讯比较前几年少了许多,好像开展不大。”
 
  多年从事研制的我国碳谷科技集团首席专家戴加龙说,“应该说,在世界石墨烯制备技能上,我国处于世界同步的水平。除了常用的氧化复原法和液相剥离法外,我们碳谷科技采纳产学研联合攻关,运用优质大鳞片石墨为质料,经过微机械剥离方法制得少层石墨烯(通常在3到4层之间),其主要长处是径厚比大、出产进程无污染、保留了二维资料优异的机械功能和电学功能。”
 
  用中科院院士、北京大学纳米科学与技能研讨中心主任刘忠范的话来说,“碳谷科技共同的分段式微机械剥分工艺,在当时世界石墨烯工业面临多种制约和瓶颈之下,创始了一条新的开展途径,为石墨烯工业的大规划运用,起到了很好的引领作用。”
 
  市场需求虽大,石墨烯却难以量产
 
  由于石墨烯的结构特色,决定了石墨烯具有薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构安稳,电子搬迁速度快等特性,市场运用远景宽广,近10年来,石墨烯概念在全球遭到广泛追捧,国内对石墨烯的研制与运用热度,也是“水涨船高”,继续不减。
 
  然而,尽管市场需求大,但石墨烯却一直难以量产。为什么?唐煌说,“要害在于有必要处理一些要害的技能难题。首先,怎么大规划可控制备出高质量的石墨烯。其次,怎么坚持石墨烯安稳均匀地涣散。现在,工业上也运用球磨石墨来取得石墨烯,其实这种办法最多取得的是少层石墨,运用石墨烯这个概念罢了。”
 
  唐煌通知记者,现在,工业上也运用球磨石墨来取得石墨烯,其实这种办法最多取得的是少层石墨,运用石墨烯这个概念罢了。现在,石墨烯在工业界缺少统一的质量标准,大多数产品是rGO或许少层石墨。这些都是制约石墨烯工业化的巨大拦路虎,石墨烯的工业化依旧任重道远。”
 
  单层与多层有何不同之处?唐煌如此解说,石墨烯依据其层数一般能够分成单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。其中,单层石墨烯是严厉意义上的石墨烯,由一层苯环结构周期性严密堆积的碳原子构成的二维碳资料。少层石墨烯是由3-10层以苯环结构周期性严密堆积的碳原子以不同堆垛方法堆垛构成的二维碳资料。当层数大于10层,一般称为多层石墨烯,或许称为少层石墨更切当,由于石墨烯的优异功能会跟着层数的增加明显下降。业界以为,超越10层便不具备石墨烯资料的优异功能。
 
  记者了解到,到现在,世界上还没有单层石墨烯量产。在国内,一些当地把石墨烯与石墨资源更是相提并论,只需当地发现了石墨资源,就打出石墨烯的概念,并且各地依托石墨资源规划的石墨烯工业园千人一面,同质化十分严峻。
 
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