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新技術使垃圾化身石墨烯
來源:中國科學報 時間:2020/2/7 18:13:02 用手機瀏覽

近日,美國萊斯大學研究人員在《自然》上報道,他們可以將從食物殘渣到汽車舊輪胎的任何含碳固體轉化成儲能材料石墨烯。如今,從高強度塑料到柔性電子產品,由石墨烯制成的材料使用范圍十分廣泛,F有技術只能生產極少量的“完美”石墨烯,而在實驗室里,這種新方法已經可以每天生產出幾克近乎原始的石墨烯,研究人員現在正在擴大其產能至每天數公斤。

石墨烯的碳原子薄片像六角細鐵絲網一樣排列,其強度比鋼高,導電、導熱性能優于銅,可作為防止金屬生銹的不透水屏障。但是,自2004年被發現以來,高質量石墨烯無論單層還是多層的工業規模制造和提純都價格不菲。對于制造發光二極管等小型器件來說,這不成問題,但對于大批量應用而言,則成本太高。而高產量的生產方法,如從大塊礦物石墨中剝離石墨烯,則會產生多達50層的石墨烯片,這對大多數應用來說并不理想。

2014年,萊斯大學化學家James Tour和同事發現,可以用激光擊破一種叫做炭黑的無定形碳,從而制造出一種只有幾層厚的純石墨烯。短暫的脈沖將碳加熱到3000開爾文以上,使碳原子間的鍵斷裂。當碳冷卻后,它會聚合成最穩定的結構——石墨烯。但這種方法制備的石墨烯仍然很少,并且要消耗大量能量。

兩年前,Tour的研究生Luong Xuan Duy注意到,其他研究者通過電擊一種材料,制造出了金屬納米顆粒,同時產生了同樣短暫的熱沖擊波。

“我想知道是否可以用它來加熱碳源并產生石墨烯!盌uy說。

他在一個透明的玻璃瓶中放入一小塊炭黑,并用400伏特的電壓轟擊了約200毫秒。一開始他得到了無用的東西,但稍作調整之后,他成功獲得了一個明亮的黃白色閃光,這表明瓶內的溫度達到3000開爾文左右。化學檢測表明,他制備出了石墨烯。

這是一種理想的能夠大批量使用的石墨烯。當碳原子凝聚形成石墨烯時,它們并未像在石墨中那樣有規律地堆積,而是成為一種渦輪態堆疊——石墨烯層以各種角度相互交錯的石墨烯材料。當在水或其他溶劑中時,渦輪態堆疊的石墨烯的每一層都能與加入的任何復合材料相互作用。


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