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石墨烯高温电炉制备

作者:升降电炉   来源:升降炉   时间:2017-08-01

   

         石墨烯的制备, 一方面是要获得无限趋近于零缺陷的用于发现奇特物理、化学性质的完美二维晶体, 组装趋近完美的碳纳米结构, 这是石墨烯研究的终极目标; 另一方面是低成本宏量获得石墨烯材料,用于可以容忍少量缺陷、甚至利用缺陷的某些应用领域(比如: 储能、催化) , 这是石墨烯这种新材料得到产业界认可、快速发展的必由之路

在目前主要的几种制备方法中, 机械剥离法[ 5] 、晶体表面外延生长法[ 13] 、化学气相沉积法[ 14] 等主要用于上述第一种目的   组建完美的石墨烯纳米结构; 而基于氧化石墨的化学解理法被认为是一种最可能实现石墨烯产业化制备的重要方法[ 10]

, 其主要思路是: 通过氧化等方法在石墨的层间引入含氧基团   增大层间距、部分改变碳原子的杂化状态(增加sp3成分) , 从而减小石墨的层间相互作用; 然后通过快速加热(热化学解理)或者超声处理(超声化学解理)等方法实现石墨的层层剥离, 获得功能化的石墨烯。基于快速加热的热化学解理, 在热处理过程中, 同步实现石墨烯片层的解理(- 层剥离)和含氧基团的脱除(还原) , 工艺简单, 易于产业化[ 16]

  主要的热化学解理方法是对氧化石墨进行快速高温处理(高温热化学解理)    在高温下, 氧化石墨片层上的含氧官能团受热以高压气体状态迅速释放, 在瞬间释放过程中造成强大内应力, 使氧化石墨片层内外产生很大的压力差, 使石墨烯片层解理、剥离形成单层石墨烯

  M cA llister[ 17] 通过理论分析以及实验研究, 认为在常规条件下, 热解理的最低温度是550 # ; 而实际操作中, 热解理温度一般在1100# 的高温下, 才能实现石墨烯的完全解理。高温热化学解理方法制备条件相对苛刻: 首先, 快速升温和高温过程对设备的要求较高, 耗能高, 造成成本偏高; 其次, 由于在高温下进行, 工艺难于控制、材料的结构难于控制; 此外, 快速升温、高温膨化这样的非稳态过程给石墨烯带来很多缺陷, 制约了石墨烯物性研究的深入W u[ 18] 提出氢电弧法, 使实现大规模制备高质量石墨烯成为可能。根据氢电弧放电反应温度高、可实现快速加热及原位还原的特点, 采用电弧加热膨胀解理石墨以去除含氧官能团和愈合结构缺陷, 进而提高石墨烯的质量; 较普通快速加热方法, 采用氢电弧方法所制石墨烯的抗氧化温度提高了近100 # , 导电率提高了近2个数量级。相对快速升温和高温环境, 发展条件较为温和 的热化学解理方法, 将可能使化学解理方法成本降低、工艺简化, 实现制备过程的可控性, 从而更易实现石墨烯制备过程的放大、实现产业化和规模化应用

     他们提出低温负压化学解理方法   通过营造真空环境, 造就氧化石墨内外压力差; 当含氧基团在低温下( 200 # ~ 400# )从氧化石墨层间受热脱除时仍能产生强大的内外压差, 以实现石墨烯片层的快速解理、剥离。这种方法可以低成本、宏量获得低缺陷浓度、具有高电化学容量的高质量石墨烯。化学解理方法是短时间内大量获得石墨烯的理想方法, 虽然具有一定的结构缺陷, 但这样的石墨烯材料在储能、催化等领域已经展现出很好的应用前景同时经过工艺条件的优化和适当的后处理, 所制石墨烯的质量明显提高, 在太阳能电池等领域也表现出应用潜力; 化学解理方法的前躯体氧化石墨烯是一种典型的双亲分子, 具有独特的界面特征, 通过界面作用可以构筑结构可控的碳纳米结构, 实现碳基材料的功能导向组装制备。

 

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