新专利技术：合成纯净石墨烯！

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，及其制备方法和电子特性的研究。

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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