用大豆油如何制造石墨烯？

最近，它发表在《自然通讯》上。

图1:2010年石墨烯发明者捐赠给诺贝尔博物馆的文章:一片石墨、两个石墨烯晶体管和粘合石墨烯的胶带(照片来源:*)

此外，单晶碳化硅可以在高真空下加热以获得石墨烯。或者通过化学气相沉积，使含碳气体在铜表面凝结，然后剥离形成的石墨烯薄层。然而，这些方法需要真空环境或特殊气体，这在工业上很难大规模使用。你如何用大豆制造石墨烯？

大豆实验的具体操作如下(图2):实验在气相沉积炉中进行。炉子的加热区域有两片氧化铝，一片在顶部有大豆油，另一片有多晶镍膜作为生长基质。大豆油的作用非常明显。它是制造的原材料。当镍膜用作生长衬底时，它意味着什么？简单的理解是，它是一种附着的载体，神奇的石墨烯会在这里“生长出来”。在将原料放入每个位置后，接着进行加热阶段，首先以每分钟30℃的速度加热至800℃，持续3分钟。然后冷却，样品冷却过程将在镍膜上产生均匀连续的石墨烯。但这并不是事情的结束。尽管石墨烯已经生产出来，但石墨烯仍然牢牢地将镍薄膜固定在一起。因此，下一步是转移石墨烯和镍薄膜来分离两个鸳鸯，这需要聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。聚甲基丙烯酸甲酯，也就是通常所说的有机玻璃，是一种廉价的粘合剂。它是一个“爱情大师”，会用它“愚弄”石墨烯，石墨烯与镍薄膜密不可分。研究人员在附着于镍膜的石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯。自然风干12小时后，连接镍膜-石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯。然而，在氯化铁溶液中，镍膜会溶解“不幸的牺牲”，而聚甲基丙烯酸甲酯会携带石墨烯并像薄膜一样漂浮在溶液表面。用去离子水反复清洗薄膜，然后转移到玻璃板上。然而，遗憾的是，聚甲基丙烯酸甲酯和石墨烯之间的“温柔”并没有持续太久，研究人员用丙酮洗掉了聚甲基丙烯酸甲酯。这样，大豆油在高温下变成石墨烯，经过两次分解，最终得到“*体”。

图2:实验流程图(摘自作者用中文撰写的研究论文)

三种媒介机制

似乎大豆油在经历了巨大的困难之后终于获得了它的真正意义。太令人满意了，让人忍不住感叹！但是等等，嘿，大豆油是怎么变成石墨烯的？我们仍然可以接受唐三藏对佛教的学习。大豆油和石墨烯看起来风格迥异，但它们是如何联系在一起的呢？

答案在于碳。

每个人都熟悉大豆油，毕竟，谁没有吃过它？它的主要成分是脂肪酸，即碳氢化合物，什么是石墨烯？它是一层碳原子薄膜。在炉内加热过程中，大豆油中的物质会断裂成短链碳氢化合物，如乙基和甲基。事实上，在425℃时，大多数大豆油蒸发成各种气体，如二氧化碳、丙烷等。随着温度继续上升到800℃，这些气体被分离成碳原子并溶解在镍膜上。保持800℃3分钟是为了使碳原子与镍膜紧密结合。在冷却阶段，碳原子从镍薄膜中分离出来，并在薄膜表面结晶，形成石墨烯。因此，在高温冷却的过程中，说大豆油是人体的涅槃并不过分，它可以被塑造成一个“黄金身体”。

图3:大豆油在高温下“涅槃”成石墨烯(网络图)

除了为石墨烯提供碳源外，大豆油还在保护镍膜方面发挥作用。在没有大豆油的处理组中，镍膜在加热后含有大量的氧；加入大豆油后，加热过程中产生的小分子物质消耗炉内氧气，避免镍膜氧化。

图4:简单的机构图(图片由作者手绘)

整个实验的机理很简单(图3)。大豆油加热时分解成小分子，如甲基和乙基，同时消耗炉内的氧气。随着温度的升高，含碳物质继续分解，直到变成碳原子。冷却后，碳原子变成石墨烯。

四.无限的前景

这个机制说起来也很简单，但是你知道科学家们尝试了多少实验吗？为了得到最好的结果，他们不断地调节温度和改变反应物质，只有这样他们才能得到像现在这样简单的方法。此外，科学家发现石墨烯也可以由地沟油制成。尽管这项研究的科学家无法从衣服中制造石墨烯，但这也不是不可能的！

简而言之，石墨烯的前景“可能引发一场颠覆性的新技术和产业革命，席卷全球。”这种用大豆油制造石墨烯的方法可能会给我们带来这场革命。

图5:实验产生的石墨烯(照片来源:英国广播公司)

-

参考

【1】Seo，D.H .等，从可再生前体作为电化学基因传感器的石墨烯的一步环境空气合成。自然通讯，2017年。第14217页。