重磅：新專利技術用「爆炸法」高產量製備石墨烯

導讀

談及生產石墨烯，大家往往會聯想到「化學物質、催化劑、昂貴的材料和設備」。最近，堪薩斯州立大學的物理學家團隊開發了一種利用「爆炸法」高產量製備石墨烯的途徑，整個工藝主要利用了三種元素：「碳氫化合物氣體」、「氧氣」和「火花塞」。

石墨烯

之前，雖然我在多篇石墨烯相關的文章中，多次介紹石墨烯的特性、優點和應用，不過還是大家再回顧一下，畢竟這些知識很重要。

石墨烯，是世界範圍內最為廣泛研究的一種材料。結構上，它是一層六角形蜂巢結構組成的碳原子薄片。作為一種新型材料，它具有多種優異特性例如「高強度」、「超輕薄」、「不透水」、「導電導熱性能好」、「柔韌性好」。

它的應用領域包括「電子和半導體器件」、「柔性設備」、「光學設備」、「複合材料」、「油漆和塗層」、「感測器」和「計量設備」等等。

（圖片來源於：維基百科）

製備方法

目前，現有的石墨烯的常規製備方法包括：「微機械剝離法」、「外延生長法」、「化學氣相沉澱CVD」、「氧化石墨還原法」等等，另外之前我還介紹過一些新型方法例如：「石墨烯製備的新方法：激光誘導相分離」。在本文中，我就不進行詳細介紹了，有興趣的朋友也可以持續關注我以後發布的文章，或者自行查閱研究。

重點要說的是：「目前這些眾多的製備方法尚不能很好地滿足工業化的要求」。因為，產業化要求技術穩定、成本低廉、生產周期短、製備出的石墨烯品質高。

然而，例如微機械剝離法，雖然操作簡單，製備出的石墨烯品質高，但是獲取的石墨烯尺寸較小，且效率低，成本高，可控性差；化學氣相沉澱CVD法和外延生產法，都需要高溫和催化劑條件；而氧化石墨還原法，則需要強氧化劑濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀及還原劑水合肼、硼氫化鈉等多種化學物質，製備時間也較長，有一定的安全和環境風險。

新專利技術

最近發布的一項專利「含碳材料爆炸法高產量製備石墨烯的工藝」，能夠在一定程度上克服上述製備方法的缺點，為石墨烯工業化生產帶來希望。

堪薩斯州立大學物理系教授 Chris Sorensen ，是這項專利的領導者，研究人員包括堪薩斯州立大學的博士後研究員和物理講師 Arjun Nepal，前訪問學者 Gajendra Prasad Singh 。

以下圖片左起：堪薩斯州立大學研究員、物理系博士生 Justin Wright ；物理系教授Chris Sorensen ；博士後研究員和物理講師 Arjun Nepal。

（圖片來源於：堪薩斯州立大學）

不同於其他的石墨烯製備方法，該方法十分簡便、有效、可拓展至工業級別。這種方法給人感覺有點類似「爆米花」，可是爆出的是「石墨烯」，不過它們的原理卻大相徑庭。具體方法簡單描述如下：

將乙炔或者乙烯氣體以及氧氣裝入容器內，然後使用汽車火花塞引燃容器內氣體，隨後搜集爆炸形成的石墨烯。

（圖片來源於：USPTO）

對於這種方法，我們先來看看 Sorensen 教授怎麼說 ：

「我們已經發明了一種量產石墨烯的可行工藝，該工藝具有很多優點，例如經濟合理性，即具有大規模生產的可能性以及避免化學材料的缺乏。這些優勢當中，最佳的特性就是該工藝製備一克石墨烯所需要的能量，比其他工藝少很多，因為它需要的只是一個火花。」

偶然的驚喜

還記得那篇《一個偶然的驚喜：科學家發現「光子水」》的文章嗎？科學家也是通過一個偶然的機會，意外地發現了「光子水」。然而，很多重大科學發現都有相似之處：有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭。

對於Sorensen團隊來說，這也是一個「偶然的驚喜」。他們在開發黑碳氣溶膠時，生產出了石墨烯。整個過程通過在17公升的鋁容器內，填充乙炔和氧氣，然後使用火花塞點火，在容器內形成爆炸。

（圖片來源於：堪薩斯州立大學）

爆炸後，煙塵形成了一種氣溶膠。

Sorensen 說看上去有點像「黑色的天使蛋糕」，最終的勞動成果如下圖所示：

但是通過進一步的分析後，研究人員發現氣溶膠，不僅僅是看上去的像「黑色的天使蛋糕」。

意外的驚喜的是：它是石墨烯！

對此，Sorensen 的說法如下：

「我們本來沒有計劃製造石墨烯，我們計劃製造氣溶膠凝膠，但是我們很幸運，通過一次偶然的意外製成了石墨烯。」

意義

傳統的石墨烯製備方法是能源密集型的，能量消耗大，不環保，且十分危險，產量又低。然而，Sorensen 的團隊通過少量能源，大量製造石墨烯，且沒有涉及危險的化學物質。研究人員Nepal說：

「我們的實驗真正的魅力在於我們能以克的數量級，而不是毫克的數量級生產石墨烯。」

未來

現在，研究團隊還包括了物理系博士生Justin Wright、Camp Hill、Pennsylvania，他們正致力於提高石墨烯的品質，將實驗室工藝拓展到工業級別。

同時，他們也正在正升級一些設備，以便引爆後，能快速地從容量內獲取石墨烯，只需要幾分鐘時間。Sorensen 認為，更快速地獲取石墨烯有利於提高該材料的品質。

參考資料

【1】http://www.k-state.edu/media/newsreleases/2017-01/graphenepatent12517.html