导读


最近,美国康涅狄格大学科研人员为一项独一无二的工艺申请了专利,它能够以纯净的形式(未氧化)片状剥落石墨烯材料,同时制造出创新的石墨烯纳米复合材料,有望带来一系列的新应用。


关键字

石墨烯电极工艺


背景




石墨烯,是一种性能卓越的特殊二维材料。如果将石墨比作一副扑克牌,那么其中的每张牌就是石墨烯。石墨烯是单层碳原子组成蜂窝状结构,厚度只有人类发丝直径的百万分之一,但强度却胜过钢铁百倍。除此之外,它的导电、导热、透光等性能都非常优秀,具有“新材料之王”的美誉,用途非常广泛。


2004年,石墨烯被从石墨中成功剥离出来。此后,石墨烯由于性能独特,一直成为科学界和工业界关注的热点,关于石墨烯的学术文章发表的数量超过了一万篇。对于相关的创新成果,笔者也通过一些列的文章进行了介绍,例如石墨烯在半导体可穿戴技术柔性电子传感器太阳能航天能源技术分子电子等多个领域的应用,及其制备方法电子特性的研究。


可是,通过专有工艺以纯净形式制造石墨烯,这方面目前尚未有文章介绍过。

创新


最近,美国康涅狄格大学的材料科学研究所聚合物项目的成员 Doug Adamson 教授为一项独一无二的工艺申请了专利,它能以纯净的形式(未氧化)片状剥落石墨烯材料,同时制造出创新的石墨烯纳米复合材料,有望带来一系列的新应用。


这项研究发表于美国化学会的同行评审期刊《ACS Nano》。

(图片来源于:Peter Morenus / 康涅狄格大学)


技术

那么,这项工艺有什么独到之处呢?


我们还要是从石墨烯材料本身说起。有些“石墨烯”材料,其实并不是纯净的石墨烯,其实已经是经过化学或者热学还原的,通常是石墨烯氧化物。石墨烯中的氧分的作用在于提供了一种化学处理,使石墨烯更容易“相处”。但是,与未经修改的石墨烯相比,将氧添加进纯净的石墨烯中会降低材料本身的机械、热学和电气性能。


此外,氧化石墨的过程,需要添加危险且昂贵的化学品,例如无水硫酸和过氧化钾,接着为了分离和净化产品,需要一系列冗长的操作,也称为“化学检查”,这些都显著提高了石墨烯的制造成本

然而,Adamson 的工艺并不需要任何附加的步骤和化学物质,而是通过原始的形态Adamson 表示:


“我们材料背后的这项创新技术,使用了热力学驱动的方案,将石墨片状剥落成石墨烯薄片,然后将这些薄片组织成连续的、导电的、三维结构。我们方案,与很长一段时间内使用的现有技术相比简单很多,这些技术依赖于侵略性氧化、高能混合或者声波降解(通过声能分离粒子)方法片状剥落石墨。之前,没有其他任何人报告过和我们同样简单的技术。我们证明了这项技术可以。”


石墨烯的一大特色:不可溶性,成为了Adamson 发现的核心。对于其他许多材料来说,这似乎是一个障碍。因为它不溶解于液体,Adamson 及其团队将石墨放置在水和油的交界面上。在那里,石墨烯薄片自发地扩散,覆盖住交界面,降低系统能量。石墨烯薄片作为单个、重叠的薄片,受困于交界面,随后会被使用交联聚合物或者塑料锁定到位。

价值

(图片来源于:Peter Morenus / 康涅狄格大学)


稳定的石墨烯复合材料的应用领域数不胜数,例如航空、电子和生物技术等等。Adamson 将这项技术用于改善苦咸水的标准淡化方法。他开发出一种设备,利用石墨烯纳米复合材料,通过“电容去离子”(CDI)技术,去除水中的盐。


CDI 技术采用低成本、高表面积、多孔的电极,从水中去除盐。CDI工艺有两个循环:一个吸附阶段,去除水中溶解的盐;一个解附阶段,通过停止或者逆转电极上的电荷,将吸附的盐释放出来。许多种材料都可以用于制造电极,但是很多材料都无法进行大规模商用。

Adamson 和他的工业合作伙伴相信,他开发的这种简单、廉价且强健的材料,有望最终成为将CDI技术带向市场的主要方式。


一位经验丰富的创业者、Adamson 的合作伙伴之一 Michael Reeve 表示:


“我们正在开发的产品将是一种廉价的石墨烯材料,具有最佳的电极性能,能够取代目前用于CDI的、更加昂贵、效率更低的材料。”


参考资料


【1】http://today.uconn.edu/2017/08/synthesizing-pure-graphene-miracle-material/

【2】http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn402371c



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新专利技术:合成纯净石墨烯!
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