制备单层石墨烯仅用一小时
铁系氧化剂新方法有望突破大规模工业生产难题
本报讯 “生产实验数据显示，用新方法在1个小时之内，就能做出这样的单层氧化石墨烯，未来有望在工业领域大规模应用。”近日，在浙江大学高分子系一个装满了瓶瓶罐罐的实验室中，该系教授高超一边给记者展示一种类似咖啡粉的褐色粉末，一边向记者介绍说。
《自然—通讯》杂志日前发表了一篇由高超课题组完成的石墨烯制备研究成果。该成果避开现有石墨烯制备方法的诸多缺陷，突破了传统氧化石墨烯制备方法，找到了一条低成本制备单层石墨烯的“绿色”路线。
石墨烯是一种由单层碳原子构成的类似正六角形的“蜂窝状”薄片。“20万片石墨烯加在一起，才相当于人类的一根头发丝粗细。”高超向记者介绍说，此前碳的这种二维结构形式一直存在于科学家的猜想中，却一直难以实现，其中的关键性难题就是如何把石墨分层到极薄的薄片。
2004年，英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫最终制成了厚度只有0.335纳米的石墨烯，这是世界上第一次得到单层石墨烯，两人也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。目前，由两人提出的胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法已成为实验室制备石墨烯的一种常用方法。然而，该方法局限性十分明显，制成的是不同层数的石墨烯混合物，难以大规模制备单层石墨烯。
在高超看来，石墨烯若要真正实现应用，有三个关键问题需要解决：原料、材料和器件。原料就是石墨烯，尤其是单层石墨烯；材料是石墨烯原料组装成的宏观材料；器件就是把材料做成有功能的装备。“宏观材料问题已经基本解决了，最根本的原料问题仍然处于探索之中。”他说。
经过多年探索，该研究团队终于发现了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂，取代了沿用半个多世纪的氯系、锰系氧化剂，使石墨烯制备过程快、成本低、无污染，适用于工业化大规模制备。《自然—通讯》审稿人评价：“该方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意义。”
关于新的石墨烯生成技术，高超解释说，铁氧化剂分子的“奔跑”速度非常快，可以像楔子一样，快速穿插进入石墨内部，使其快速分层。“在此过程中，还会产生氧气，这些气体会帮助其‘顶’开层层石墨，使制备速度加快。”他说。
这种制备方法之所以很“绿色”，是因为它没有爆炸隐患，不会产生有害物质，属于环境友好型技术。同时，生产实验数据显示，该方法在1个小时内就可以制备单层石墨烯，有望实现大规模工业应用。此外，在铁系氧化剂溶液中制得后，可以收干还原成为石墨烯粉末；在制作材料时，又能“速溶”于溶剂。这一特性可以让石墨烯原料便于保存和运输。
此次研究的成功并非一蹴而就。据了解，课题组此前已用石墨烯制作出多种形式的宏观材料和超级电容器、锂电池等器件。
高超的实验室环境也展现了他们的研究历程。在那里，记者看到大大小小的玻璃瓶中装着形态各异的石墨烯材料；有实验室拍摄的入选《自然》杂志2011年度图片的石墨烯打结图；甚至实验室纤细的文竹叶子上也“漂浮”着入选2013年度世界最轻固体材料纪录的石墨烯弹性气凝胶；还有像电影胶片一样、每分钟可以“纺”10米的连续石墨烯薄膜……高超介绍说，正是在此基础上，他们才开始考虑如何在原料层面突破现有难题，推动单层石墨烯规模化、低成本制备。（崔雪芹 周炜）
《中国科学报》 (2015-02-11 第1版 要闻)
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