超臨界流體技術(shù) 石墨烯
背景介紹
由于其獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)和出色的力學、電學、熱學和光學特性,石墨烯成為材料領(lǐng)域研究的熱點。然而,要實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化應用,就必須解決大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯材料的難題。目前,石墨烯的制備方法主要包括機械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長法和化學氣相沉積(CVD)法等。然而,這些方法都存在一些問題。機械剝離法的可控性較差,并且產(chǎn)量有限;氧化還原法容易引入其他元素的摻雜和結(jié)構(gòu)缺陷,影響電導性;碳化硅外延生長法的原料價格昂貴,并且需要嚴苛的生長條件;CVD法則工藝復雜,生產(chǎn)成本較高。因此,如何以較低的成本和溫和的反應條件大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯一直是科學家們努力研究的方向。超臨界流體技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新思路。
何為超臨界流體?超臨界流體(supercritical fluids,SCF)具有類似氣體的擴散性質(zhì),其界面張力為零,容易實現(xiàn)石墨插層;具有類似液體的溶解能力。將高溫高壓下的超臨界流體插層到天然的鱗片狀石墨中,使石墨膨脹突破石墨層間的范德華力進而對石墨烯進行剝離、分散。超臨界流體剝離制備石墨烯法實現(xiàn)了對石墨烯層數(shù)的可控制備,且工藝簡單、成本低、設(shè)備要求不高,在大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯具有極好的潛力。 常用的超臨界二氧化碳(scCO2)的臨界條件溫和(臨界溫度31.1℃,臨界壓力7.38MPa),且CO2具有無毒、惰性、價廉以及與產(chǎn)物易于分離等優(yōu)點,在納米復合材料制備方面的應用非常廣泛,將其應用于直接剝離法制備石墨烯,避免了使用大量有機溶劑,且經(jīng)過簡單的泄壓操作即可實現(xiàn)產(chǎn)物分離。后續(xù)操作較液相剝離法大大簡化,有望實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的量產(chǎn)化。
機理
超臨界流體(SCF)剝離石墨的原理以sc CO2(臨界溫度TC=31.1℃,臨界壓力PC=7.38MPa)為例介紹,如圖1所示。石墨是片層結(jié)構(gòu),可以看作是單層的石墨烯通過范德華力一層層堆疊而形成(圖1A),超臨界流體的高分散性和強滲透能力使其易于進入石墨層間,形成插層結(jié)構(gòu)(圖1B);當快速泄壓時,sc CO2發(fā)生顯著膨脹,釋放大量能量克服石墨層間作用力(圖1C),得到單層或少層的石墨烯(圖1D)。這種方法操作簡單,條件容易實現(xiàn),制備過程中未使用強酸強堿,綠色環(huán)保。
圖1 sc CO2剝離石墨原理圖
小結(jié)
超臨界流體技術(shù)作為一種新興的石墨烯制備技術(shù),具有很大的潛力和應用前景。通過利用超臨界流體的特殊性質(zhì),可以實現(xiàn)高純度、高質(zhì)量和可控性的石墨烯制備。此外,超臨界流體技術(shù)還可以應用于石墨烯的功能化修飾和納米材料的合成。盡管仍然存在一些挑戰(zhàn),但超臨界流體技術(shù)的發(fā)展前景依然廣闊,有望為石墨烯材料在各個領(lǐng)域的應用提供更多可能性。
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原文標題:石墨烯制備新技能:超臨界流體技術(shù)
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