新專利技術：合成純凈石墨烯！

導讀

最近，美國康涅狄格大學科研人員為一項獨一無二的工藝申請了專利，它能夠以純凈的形式（未氧化）片狀剝落石墨烯材料，同時製造出創新的石墨烯納米複合材料，有望帶來一系列的新應用。

關鍵字

石墨烯、電極、工藝

背景

石墨烯，是一種性能卓越的特殊二維材料。如果將石墨比作一副撲克牌，那麼其中的每張牌就是石墨烯。石墨烯是單層碳原子組成蜂窩狀結構，厚度只有人類髮絲直徑的百萬分之一，但強度卻勝過鋼鐵百倍。除此之外，它的導電、導熱、透光等性能都非常優秀，具有「新材料之王」的美譽，用途非常廣泛。

2004年，石墨烯被從石墨中成功剝離出來。此後，石墨烯由於性能獨特，一直成為科學界和工業界關注的熱點，關於石墨烯的學術文章發表的數量超過了一萬篇。對於相關的創新成果，筆者也通過一些列的文章進行了介紹，例如石墨烯在半導體、可穿戴技術、柔性電子、感測器、太陽能、航天能源技術、分子電子等多個領域的應用，及其製備方法和電子特性的研究。

可是，通過專有工藝以純凈形式製造石墨烯，這方面目前尚未有文章介紹過。

創新

最近，美國康涅狄格大學的材料科學研究所聚合物項目的成員 Doug Adamson 教授為一項獨一無二的工藝申請了專利，它能以純凈的形式（未氧化）片狀剝落石墨烯材料，同時製造出創新的石墨烯納米複合材料，有望帶來一系列的新應用。

這項研究發表於美國化學會的同行評審期刊《ACS Nano》。

（圖片來源於：Peter Morenus / 康涅狄格大學）

技術

那麼，這項工藝有什麼獨到之處呢？

我們還要是從石墨烯材料本身說起。有些「石墨烯」材料，其實並不是純凈的石墨烯，其實已經是經過化學或者熱學還原的，通常是石墨烯氧化物。石墨烯中的氧分的作用在於提供了一種化學處理，使石墨烯更容易「相處」。但是，與未經修改的石墨烯相比，將氧添加進純凈的石墨烯中會降低材料本身的機械、熱學和電氣性能。

此外，氧化石墨的過程，需要添加危險且昂貴的化學品，例如無水硫酸和過氧化鉀，接著為了分離和凈化產品，需要一系列冗長的操作，也稱為「化學檢查」，這些都顯著提高了石墨烯的製造成本。

然而，Adamson 的工藝並不需要任何附加的步驟和化學物質，而是通過原始的形態。Adamson 表示：

「我們材料背後的這項創新技術，使用了熱力學驅動的方案，將石墨片狀剝落成石墨烯薄片，然後將這些薄片組織成連續的、導電的、三維結構。我們方案，與很長一段時間內使用的現有技術相比簡單很多，這些技術依賴於侵略性氧化、高能混合或者聲波降解（通過聲能分離粒子）方法片狀剝落石墨。之前，沒有其他任何人報告過和我們同樣簡單的技術。我們證明了這項技術可以。」

石墨烯的一大特色：不可溶性，成為了Adamson 發現的核心。對於其他許多材料來說，這似乎是一個障礙。因為它不溶解於液體，Adamson 及其團隊將石墨放置在水和油的交界面上。在那裡，石墨烯薄片自發地擴散，覆蓋住交界面，降低系統能量。石墨烯薄片作為單個、重疊的薄片，受困於交界面，隨後會被使用交聯聚合物或者塑料鎖定到位。

價值

（圖片來源於：Peter Morenus / 康涅狄格大學）

穩定的石墨烯複合材料的應用領域數不勝數，例如航空、電子和生物技術等等。Adamson 將這項技術用於改善苦鹹水的標準淡化方法。他開發出一種設備，利用石墨烯納米複合材料，通過「電容去離子」（CDI）技術，去除水中的鹽。

CDI 技術採用低成本、高表面積、多孔的電極，從水中去除鹽。CDI工藝有兩個循環：一個吸附階段，去除水中溶解的鹽；一個解附階段，通過停止或者逆轉電極上的電荷，將吸附的鹽釋放出來。許多種材料都可以用於製造電極，但是很多材料都無法進行大規模商用。

Adamson 和他的工業合作夥伴相信，他開發的這種簡單、廉價且強健的材料，有望最終成為將CDI技術帶向市場的主要方式。

一位經驗豐富的創業者、Adamson 的合作夥伴之一 Michael Reeve 表示：

「我們正在開發的產品將是一種廉價的石墨烯材料，具有最佳的電極性能，能夠取代目前用於CDI的、更加昂貴、效率更低的材料。」

參考資料

【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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