浙大突破单层石墨烯大规模工业生产难题

制备单层石墨烯只需要一个小时。

铁氧化剂新方法希望突破大规模工业化生产的困难

生产实验数据表明，这种单层氧化石墨烯可以在一小时内用新方法生产出来，有望在未来的工业领域得到广泛应用最近，在浙江大学高分子系的一个装满瓶子和罐子的实验室里，该系的高昊教授在向记者介绍一种类似咖啡粉的棕色粉末时，向记者展示了这种粉末。

《自然通讯》杂志最近发表了一项由一个高级研究小组完成的石墨烯制备研究结果。该成果避免了现有石墨烯制备方法的诸多缺陷，突破了传统的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。

石墨烯是一种类似正六边形的由单层碳原子组成的“蜂窝状”薄片。" 20万片石墨烯加起来相当于一根头发的厚度。"高昊告诉记者，这种碳的二维结构在科学家的推测中已经存在，但很难实现。关键问题是如何将石墨分层成极薄的薄片。

2004年，英国曼彻斯特大学的Heim和Novoselov最终生产出厚度只有0.335纳米的石墨烯，这是世界上第一次获得单层石墨烯，他们两人都获得了2010年诺贝尔物理学奖。目前，由两人提出的胶带纸粘贴法演变而来的机械剥离法已经成为实验室制备石墨烯的常用方法。然而，这种方法的局限性非常明显，并且由于制备了不同层的石墨烯混合物，因此难以大规模制备单层石墨烯。

高昊认为，要真正应用石墨烯，有三个关键问题需要解决:原材料、材料和器件。原材料是石墨烯，尤其是单层石墨烯。该材料是由石墨烯原料组装而成的宏观材料；设备是将材料制成功能性设备的设备。“宏观物质问题已经基本解决，最根本的物质问题还在探索中。”他说。

经过多年的探索，研究团队终于发现了一种新的廉价无毒的铁基氧化剂，取代了已经使用了半个多世纪的氯基和锰基氧化剂，使得石墨烯的制备过程快速、低成本、无污染，适合工业化大规模制备。《自然通讯》的评论员评论道:“这种方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意义。”。

至于新一代石墨烯技术，高朝解释说，铁氧化剂分子“跑得”非常快，可以像楔子一样渗透到石墨中，使其快速分层。“在这个过程中，还会产生氧气。这些气体将有助于“覆盖”石墨层，加快准备工作。他说。

这种制备方法之所以“绿色”是因为它没有爆炸的隐患，不产生有害物质，属于环保技术。同时，生产实验数据表明，该方法可以在一小时内制备单层石墨烯，有望实现大规模工业应用。另外，石墨烯粉末在铁基氧化剂溶液中制备后，可以干燥并还原成石墨烯粉末；当制造材料时，它可以在溶剂中“瞬间”。这一特性使得石墨烯材料易于储存和运输。

这项研究的成功不是一蹴而就的。据了解，该研究小组此前已经用石墨烯制造了各种宏观材料和器件，如超级电容器和锂电池。

一流的实验室环境也展示了他们的研究历史。在那里，记者看到大大小小的玻璃瓶里装满了各种形式的石墨烯材料。实验室拍摄的石墨烯打结图被收录在2011年《自然》杂志的图片中。甚至实验室里细长的芦笋叶子也“漂浮”在石墨烯弹性气凝胶上，这种材料在2013年被选为世界上最轻的固体材料。也有连续的石墨烯薄膜可以每分钟“旋转”10米，就像电影一样...高朝表示，正是在此基础上，他们开始考虑如何突破原料层面存在的问题，促进单层石墨烯的大规模低成本制备。(崔学勤，周伟)

中国科学新闻(2015-02-11，第一版集锦)