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解读石墨烯材料制备技术

发布时间:2020-07-21 11:10源自:网络作者:网络阅读()

  解读石墨烯材料制备技术想要突破石墨烯技术与成本瓶颈是实现大规模商业化应用的关键,而石墨烯制备技术又是关健之中的关健,因为没有真正意义上高品质的石墨烯,后续大量的应用只不过是石墨+忽悠而已。

石墨烯材料制备技术

  在各种制备技术中,人们更关注化学气相沉积法,因为,这种工艺最有可能实现大面积高品质生产。化学气相沉积法是一种惰性氛围下使有机小分子在高温环境中分解,以碳原子的形式沉积于衬底表面上,并且要求其排列成单层而且尽可能地减少缺陷。化学气相沉积法大面积制备石墨烯,实现工业化生产的难点就在于如何有效地进行层数控制,以提高单层石墨烯含量,合成高均匀性的单晶石墨烯。为此各国科学家正不懈努力,例如美国科学家改用金钢石作为衬底材料,通过高速化学气相沉积法生产单晶石墨烯,以提高效率,降低成本。中国科学家则通过改进化学气相沉积法,提高单晶石墨烯膜的生长速度,从而达成降低成本之目的。日本科学家为避免单晶膜在转移过程中可能受到的损伤,研究开发低温化学气相沉积法,直接将石墨烯生长在塑料或二氧化硅基底上。如果说石墨烯在未来会有重大突破与应用的话,那么,化学气相沉积法将会率先走出试验室,在全球范围内实现工业化生产,从而带动起一批新兴产业集群的发展。

  从定义上来说,石墨烯是指一种由单层sp2杂化碳原子所构成具有蜂窝状排布的二维纳米材料。这里有一关键词“单层碳原子”,意味着石墨烯所展现出来的优秀特性是建立在微观层面上的,与宏观结构不存在等同关系。换言之,如果我们将单片石墨烯堆叠成宏观集合体或者与其它材料结合在一起时,原有的固有本征特性就会大打折扣,甚至消失殆尽。理论值与实际应用之间的巨大反差,需要人类突破认知的障碍,脚踏实地从基础研究做起,才能到达商业化应用的彼岸。

  到目前为止,石墨烯是世界上强度最高的材料之一,但一直困惑我们的是,如何才能把石墨烯与其它材料进行复合而性能不受损失。由于石墨烯层间存在很强的范德华力作用,外力难以打开,加之大比表面积而带来团聚,褶皱问题,使得石墨烯在基体上不易均匀地分散,成为制约石墨烯复合材料发展的桎梏。但欣慰的是来自英国石墨烯复合材料技术在商业化应用上的最新突破,BAC公司宣布将批量生产单座Mono R超级跑车,该车型全部采用石墨烯增强碳复合材料车身结构,因为碳纤维表层缺陷而导致强度大幅度下降,是一件令业界人头疼的事情,石墨烯对碳表面的修饰与复合机能,完美地诠释石墨烯的高强属性,使车身板的强度更高,更轻量化以及更稳定的机械与热性能。我们相信,这一成就意味着石墨烯在复合材料领域的应用,已经从科学试验走向商业化实用阶段,标志着新一代技术将会覆盖更广泛的领域。

  石墨烯是一种二维晶体,其中的电子速度可达到光速的1/300,换言之,流动电子在石墨烯中的速度更快,大大超过在其它导体中的速度。为此,科学家想到如何利用石墨烯在电学上的独特优势来解决储能领域的核心问题,尤其是汽车动力电池在循环寿命,充电效率以及能量密度上的提升空间问题。试验表明,石墨烯可以作为导电剂促进快充放,可以作为电极或复合电极来提升电池的能量密度,但是如果不能很好解决石墨烯的分散性,混料均匀的问题,那么,一切都是纸上空谈。据悉,西班牙科学家提供的一系列研究数据表明,石墨烯汽车动力电池具有强大的性能:能量密度是锂电池的五倍,使用寿命是锂电池的两倍,而成本比锂电池降低77%,一次充电时间仅需8分钟,可行驶1000公里,并且已在德国两大汽车公司试用之中。诱人的数据使我们似乎看到了一丝曙光,但愿石墨烯储能系统在实战中验证成功,世界正拭目以待一次性的突破。

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