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            AM發聲“打假”石墨烯:大多數樣品中含量低于10%

            科技 2018-09-18 15:13:34 來源:

            (原標題:AM發聲“打假”石墨烯)

            原創:Energist 能源學人

            石墨烯在2004年被首次分離出來,由于其獨特的結構,物理和化學性質,在過去十年,石墨烯在不同領域的應用呈指數增長。同時,生產和合成石墨烯的不同途徑也獲得了不同程度的成功。利用化學氣相沉積(CVD)和使用通過機械,化學或電化學方法將石墨剝離至石墨烯薄片的方法應運而生,并獲得了巨大成功,到目前為止, 全世界共有數百家公司宣稱他們生產石墨烯,作為一種僅僅問世十幾年的材料就獲得如此巨大的進步,實在讓人驚訝。但這些公司合成的石墨烯質量如何?

            近日,新加坡國立大學Antonio H. Castro Neto教授和因石墨烯而獲得諾貝爾獎的Konstantin S. Novoselov聯合在Advanced Materials上發文, 對來自來美洲、亞洲和歐洲的60家公司的墨烯樣品進行了分析。結果發現,這些所謂的石墨烯性能有很大差異,對于大多數應用來說并不是最好的,并且大多數公司正在生產的并不是石墨烯,而是石墨烯微片。 因此,作者呼吁,在考慮到物理性質以及特定應用要求的同時,需要制定嚴格的石墨烯表征和生產標準,這是建立健康可靠的全球石墨烯市場的唯一途徑。

            從圖1可以清楚地看到, 大多數公司樣品中石墨烯含量低于10%,沒有公司生產的樣品中石墨烯含量超過50%。完美的結晶石墨烯應具有100%的sp2鍵,然而,在所研究的公司中,沒有任何一家樣品的sp2鍵含量超過60%。 通過對全球石墨烯生產的研究表明, 市場上幾乎沒有ISO所定義的高質量石墨烯(單層碳原子構成),這結果給過去十年石墨烯的熱潮真是潑了一盆冰水。 但這似乎也從側面解釋了為什么石墨烯的實際應用這么稀少,畢竟石墨烯與石墨的結構特點差異還是蠻大的。更讓人不安的是,如果沒有統一的標準,少數不良商家將石墨烯與石墨混合出售(畢竟二者都是黑色的),在牟取暴利的同時,對石墨烯的應用將是一場災難。

            AM發聲“打假”石墨烯:大多數樣品中含量低于10%

            圖1. a)不同石墨烯含量樣品對應的公司數量。 b)與AFM(D50和D90)的層數相關樣品對應的公司數量。 c)不同石墨烯層數樣品對應的公司數量。 d)不同橫向尺寸石墨烯樣品對應的公司數量。 e)不同碳含量樣品對應的公司數量(根據元素分析得到)。 f)不同C-C sp2含量樣品對應的公司數量(XPS分析)。

            作者認為對高質量石墨烯缺乏適當表征阻礙了從根本上依賴于石墨烯的應用的開發。原子力顯微鏡(AFM)可測量石墨烯疊層的厚度信息。光學顯微鏡可提供石墨烯片尺寸信息。拉曼光譜可提供石墨烯結構完整性信息,并可以辨別GO或rGO的存在。X射線光電子能譜(XPS)測量碳含量可用來標定石墨烯純度。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡能提供樣品形態信息。這些基本信息將為統一標準的提出奠定基礎。

            石墨烯的標準

            國際標準化組織(ISO)將納米材料定義為具有納米級外部尺寸(長度范圍約為1至100 nm)或具有納米級內部結構或表面結構的材料,2D材料是“厚度為幾納米或更小的物質。因此根據定義,石墨烯是最著名的二維材料,也是第一個在實驗室中分離出來的二維材料。 與石墨烯相比,石墨烯氧化物(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)在合成的過程中晶格的對稱性被破壞并且碳原子的振動頻率受到影響,對其結構造成了很大的破壞,不利于其性能的發揮,而市場上大多數所謂石墨烯正是這兩種產品。

            AM發聲“打假”石墨烯:大多數樣品中含量低于10%

            石墨烯的物理性質對堆疊層數非常敏感。層數越少,晶體尺寸越大,堆疊越接近單層石墨烯。因此,堆疊層數是對石墨烯定義的一個關鍵因素。從物理角度來看,這些定義相當隨意,到現在由于石墨烯缺乏標準,在市場上銷售的材料質量差,一直阻礙了石墨烯應用的發展。作者認為標準可以公平的比較來自不同生產商的材料的質量,并為買家提供可靠的產品。進而形成良性循環,加快石墨烯的應用發展。

            石墨烯的發展才剛剛起步,而統一的標準將是其真正走向應用的關鍵性一步。[1]

            更多訊息

            近日,劉忠范院士和彭海琳教授在Advanced Materials發表了利用化學氣相沉積(CVD)法大規模制備石墨烯膜的綜述文章,歡迎關注![2]

            CVD法由于其優良的可控性和可拓展性,被認為是制備大面積高質量石墨烯薄膜的有效方法。為了控制石墨烯的生長以獲得尺寸區域大、碳層均勻、生長快速和合成溫度低的石墨烯,科研界和工業界已經做出了很大的努力??茖W界和初創公司都在嘗試大規模生產,然而,在實驗室規模和工業規模上所合成的石墨烯質量有很大差異。文章綜述了近年來CVD石墨烯薄膜大規模生產的進展,包括制造工藝、設備和關鍵工藝參數。此外,還討論了石墨烯薄膜的大規模生產均勻性和快速表征方法,這對于批量生產中的質量控制至關重要。

            【參考文獻

            [1] Alan P. Kauling, Andressa T. Seefeldt, Diego P. Pisoni, Roshini C. Pradeep, Ricardo Bentini, Ricardo V. B. Oliveira, Konstantin S. Novoselov, Antonio H. Castro Neto, The Worldwide Graphene Flake Production, Advanced Materials , 2018, DOI: 10.1002/adma.201803784

            [2] Bing Deng, Zhongfan Liu and Hailin Peng, Toward Mass Production of CVD Graphene Films, Advanced Materials , DOI: 10.1002/adma.201800996

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