圖為石墨烯粉末重熔后制備的宏觀石墨烯纖維、膜、氣凝膠及其微觀結(jié)構(gòu)。超院長課題組提供

石墨烯作為科學(xué)界的熱門材料和工業(yè)界的新寵，一直沒有快速、安全的工業(yè)化制備方法。 不久前，四川大學(xué)高分子系卓越院長課題組通過避免現(xiàn)有技術(shù)的諸多缺陷、突破傳統(tǒng)制備方法，找到了制備雙層石墨烯的“綠色”路線。 該工藝速度快、成本低、無污染。 ，適合工業(yè)化大規(guī)模制備。 相關(guān)學(xué)術(shù)論文近期發(fā)表在《》子刊《 》上。

20萬片石墨烯加在一起相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的粗細(xì)

石墨烯是由一層碳原子產(chǎn)生的薄片，碳原子之間形成圓環(huán)，環(huán)連接形成蜂窩狀平面。 20萬片石墨烯加起來相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的厚度。 此前，碳的這些二維結(jié)構(gòu)仍然存在于人們的猜測中，但仍然無法實現(xiàn)。 關(guān)鍵的難題是如何將石墨分層成極薄的薄片。

2004年，美國伯明翰學(xué)院的海姆和諾沃肖洛夫用透明膠水反復(fù)粘貼和揭起一塊石墨片。 石墨片的長度逐漸減小，最終制得長度僅為0.335納米的石墨烯。 這是世界上首次獲得雙層石墨烯，兩位科學(xué)家因此獲得2010年諾貝爾化學(xué)獎。 目前，由膠紙粘貼法演變而來的機(jī)械剝離法已成為實驗室制備石墨烯的一種方法。 然而，這種技術(shù)的局限性是顯而易見的。 得到的產(chǎn)物是不同層數(shù)石墨烯的混合物，這是無法得到的。 雙層石墨烯的大規(guī)模制備。

科學(xué)家們找到了另一種方法——氧化還原法，首先將石墨氧化成“逐層細(xì)分”的氧化石墨烯薄片，然后進(jìn)行還原反應(yīng)得到石墨烯。 而且這種方法要么存在爆燃隱患，要么會造成重金屬污染或有毒二氧化碳。 同時，準(zhǔn)備時間至少有10個小時，因此在準(zhǔn)備過程中必須非常小心。

經(jīng)展院士課題組經(jīng)過多年研究，發(fā)現(xiàn)了一種新型、廉價、無毒的鐵基氧化劑，替代了傳承了半個多世紀(jì)的氯基、錳基氧化劑，獲得了雙層氧化石墨烯。

“我們發(fā)現(xiàn)這些氧化鐵分子的‘運行’速度非常快，它們能夠像楔子一樣快速地散布到石墨內(nèi)部，使石墨能夠快速分層。這個過程中會形成二氧化碳，并且氣體可以幫助‘頂’逐層石墨打開，提高制備速率。” 高超表示，這些方法非常“綠色”：沒有爆燃風(fēng)險，不會形成有害物質(zhì)，對環(huán)境友好。 同時，生產(chǎn)實驗數(shù)據(jù)表明，這些方法可以在一小時內(nèi)完成雙層氧化石墨烯的制備，有望在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用。

晶超展示了一種類似于奶茶粉的白色粉末，它是以“綠色”方式制備的雙層氧化石墨烯。 據(jù)介紹，這種原料在堿液中配制后，可以干燥還原成石墨烯粉末，并且在制作材料時可以“瞬間溶解”在溶劑中。 解釋得非常好，這個特性使得石墨烯原材料可以輕松儲存和運輸。

推動雙層石墨烯實際應(yīng)用需解決原材料層面困境

在高超院士的實驗室里，大大小小的玻璃瓶里裝滿了各種形狀的石墨烯宏觀材料。 有纏繞在錐體上的石墨烯纖維、高強(qiáng)度、高韌性、高導(dǎo)纖維。 實驗室拍攝的石墨烯打結(jié)圖片入圍《自然》2011年度圖片； 龍血樹上“飄”著細(xì)長的葉子，不會脫落的石墨烯彈性氣凝膠，是2013年世界最輕固體材料記錄的創(chuàng)造者； 還有一種像薄膜一樣的連續(xù)石墨烯薄膜，每分鐘可以“旋轉(zhuǎn)”10米。 是未來手機(jī)導(dǎo)熱膜、超級電容器、飛機(jī)除冰的理想材料。

“原材料、材料、器件”是科學(xué)家在石墨烯應(yīng)用中必須考慮的三個重要問題。 喬表示，課題組已經(jīng)利用石墨烯以多種方式制造超級電容器、鋰電池等宏觀材料和部件。 “我們將進(jìn)一步考慮的是如何突破原料層面現(xiàn)有的困難，推動雙層石墨烯的規(guī)模化、低成本制備和實際應(yīng)用。”