借助聚合物实现石墨烯转移的技术进展
2019-03-07 10:03:00
高质量、低本钱、绿色制备石墨烯及其高效搬运技能是促进石墨烯运用和职业开展的要害。现在制备大面积高质量石墨烯的干流办法是根据金属表面催化成长的化学气相堆积法。薄膜搬运技能作为衔接石墨烯制备和运用的重要桥梁,在完成石墨烯产业化运用中发挥着重要效果。当时石墨烯薄膜的搬运技能首要是运用各种聚合物作衬底或支撑材料的直接和直接搬运技能。1.单一聚合物搬运法1. 1聚乙烯(Polystyrene)剥离法这种办法的原理是运用交联剂分子(TFPA-NH2)能与石墨烯构成共价键,使石墨烯深合物之间的结合力比石墨烯叙属之间的结合力要大得多,为石墨烯与金属基底的别离供给了或许。搬运进程首要分3步,如图1所示。首先是搬运前的组成和预处理进程,即石墨烯的化学气相堆积法组成以及对聚合物表面进行预处理以进步聚合物与石墨烯的吸附力;其次是叠氮化交联剂分子的等离子体表面活化与堆积,将叠氮化交联剂分子与石墨烯/铜在有必定温度和压力的纳米压印机(aNX 2000 )中压印;最终是聚合物/石墨烯与金属基底别离。图1 聚乙烯剥离搬运进程图该办法的特点是省去了铜的刻蚀,节省了金属材料,避免了刻蚀进程中刻蚀剂离子和液体对石墨烯的污染。该办法适用于对石墨烯纯净度要求比较高的搬运进程,可是试验为了确保石墨烯和聚合物从铜箔上剥离下来,需求选用表面处理以进步聚合物和石墨烯之间的吸附力,添加了中间进程,简略带来其他的问题,别的对石墨烯进行前处理也会对石墨烯自身的性质形成影响。1.2聚乙烯醇( Polyvinyl alcohol ,PVA)剥离法Marta等提出用化学气相堆积法在铜基成长的石墨烯搬运时用PVA作为支撑层,运用PVA/石墨烯之间的粘附力比石墨烯/铜之间粘附力大的原理,将PVA/石墨烯直接从铜箔上撕下来取得PVA/石墨烯薄膜。详细操作进程如图2所示,图2 PVA剥离搬运流程示意图这种办法最大的特点是制备的薄膜与惯例制备办法比较搬运前后石墨烯的质量和完好性都没有受到影响。该办法存在显着的局限性,PVA既是搬运辅佐基材也是方针衬底,运用的方针衬底规划仅限于PVA基的各类材料。可是与聚乙烯剥离办法比较,这种办法操作进程更为简略易行、耗时少、可扩展性广,选用的PVA材料价廉、无污染、易制备。若能将运用的方针基底经过改善拓展到多种方针衬底将会大大拓展此办法的运用远景。1.3聚甲基酸甲醋(PMMA)搬运法凭借于PMMA的搬运技能是石墨烯搬运中较为老练的技能,且PMMA是石墨烯搬运中运用最为频频的聚合物材料,是石墨烯搬运开展中不可或缺的部分,搬运到平坦和贯穿衬底的进程如图3所示。该办法操作便利简略,取得的石墨烯质量较高,缺陷是PMMA的引进触及去胶进程,不论是或其他有机溶剂,仍是用热处理退火和紫外线辐照都存在聚甲基酸甲酷等剩余去除不尽的问题。Suk等提出了用热处理的办法消除PMMA/石墨烯复合结构之间的空隙,搬运后在和氛围下进一步热处理样品去除PMMA剩余取得洁净的石墨烯薄膜。Lin等针对剩余做了研讨,以为PMMA剩余不是单一成分,经过退火发现在退火时接近空气的一侧PMMA分化温度低,触摸石墨烯的一侧则断键反响温度高,即便700℃也无法彻底分化,而一旦超越600℃就会引进缺陷,并且退火也仅适用于耐高温衬底材料,关于柔性衬底就不再适用。Burin等也发现经过优化PMMA的浓度和烘烤时刻能进步石墨烯质量和削减剩余,可是并不能彻底去除。根据PMMA的搬运进程获取洁净的高质量石墨烯膜现在仍旧是一个不小的应战。图3 PMMA搬运到平坦衬底和贯穿衬底流程示意图1. 4聚二甲基硅氧烷(PDMS )压印搬运法针对石墨烯搬运进程中刻蚀剂带来的污染问题,Cha等提出了一种不引进刻蚀剂的低温干法搬运技能。该办法运用塑性印章压印搬运成长在铜箔上的图画化石墨烯,试验流程如图4所示。图4 聚二甲基硅氧烷压印搬运流程示意图用PDMS制造的印章压印搬运石墨烯进步了石墨烯向刚性衬底搬运的成功率,拓展了运用衬底的运用规划。该办法制备的图画化石墨烯在硅基材料等刚性衬底上有望完成必定规划的运用,所得到的石墨烯单层在石英玻璃衬底上的方阻达到了573Ω/口。试验有用避免了刻蚀剂对石墨烯的污染问题。可是因为添加了贵金属金的堆积和刻蚀等工艺,形成试验工艺进程和本钱的添加。归纳以上几种单一聚合物搬运办法,不难发现单一聚合物搬运法触及的搬运结构较为简略,在搬运进程中单一聚合物对石墨烯表面起到了维护支撑效果。这类搬运办法因引进的支撑聚合物品种单一,除了触及到去除PMMA时有剩余影响外万,其他聚合物不触及去胶操作。该类办法的长处是对衬底的挑选规划广,石墨烯尺度小、质量高,首要适用于试验室阶段小规划的探究和运用。单一聚合物搬运是复合聚合物结构搬运和其他搬运办法的重要参阅,是在基础研讨方面获取高质量石墨烯的重要办法。但该办法的缺陷是,跟着搬运尺度添加,单一聚合物搬运不具备搬运大面积石墨烯的试验条件,石墨烯质量也将不再得到确保。2.复合结构聚合物搬运法针对上述单一聚合物搬运办法存在的局限性,研讨者们又开展出多种复合结构聚合物搬运办法。2.1 PMMA/AB-胶/PET联合搬运Cai等研讨证明PMMA搬运的石墨烯运用于通明导电电极,在去除PMMA时会引起裂纹。发生的裂纹会削减载流子传输通道,导致电极功能严峻下降,而石墨烯表面电阻与裂纹面积成正比联系,因而为了消除裂纹对石墨烯电阻的影响,他们提出用PMMA/AB-胶和PET联合搬运石墨烯的办法。搬运进程如图5所示。图5 PMMA/AB-胶/PET联合搬运流程示意图该办法在金属刻蚀后没有去胶进程,而是将石墨烯/PMMA直接搬运到方针衬底上,避免了由去胶进程发生裂纹和缺陷的问题。这种结构的材料可用作石墨烯基通明电极材料,整个搬运进程避免了聚合物的去除进程,降低了裂纹发生的或许性,便于完成大尺度石墨烯的搬运。2.2 PMMA/PDMS/SU-8联合搬运Witchawate等发现在将石墨烯搬运到PDMS衬底上时,PDMS极低的表面能约束了其作为方针衬底的运用件片不。所以,他们提出用SU-8光刻胶薄层作为粘结层,进步石墨烯和PDMS衬底之间的粘结性,将石墨烯成功搬运到PDMS衬底上。试验中将铜箔上成长的石墨烯均匀涂布PMMA后,用SU-8光刻胶作为粘结层搬运到PDMS衬底上,最终除掉PMMA,得到石墨烯/SU-8/PDMS的复合结构。试验成果显现搬运到PDMS后的石墨烯10层时的方阻大约是(1147士184)Ω/口,与石墨烯搬运到刚性衬底上的方阻值适当。综上所述,复合结构的聚合物搬运的长处是复合结构聚合物比较单一聚合物更能有用增强搬运时石墨烯和聚合物界面的黏附性,削减衬底缺陷,进步石墨烯质量和搬运的成功率。这类办法搬运的石墨烯连续性好,掺杂等级低、导电性好,是关于要求较高光透过率的聚合物材料(如场效应管和通明导电电极等石墨烯电用)的优选搬运办法。该类办法的缺陷是除了除胶进程引进PMMA等剩余会对石墨烯的质量形成影响外,有的还需引进其他工艺进程然后降低了搬运功率,添加了流程的复杂性和本钱投入。复合结构聚合物搬运选用的聚合物品种纷歧,搬运条件也各不相同,并且衬底多为柔性基材,对比如SiO2/Si等刚性衬底则不能直接运用此类办法,使得这类办法只能针对小规划的特定基材适用。除此之外,还有学者研讨了其他聚合物搬运办法,如热开释胶带搬运,卷对卷搬运等办法。3.结语化学气相堆积法成长的石墨烯在传感器、超级电容器和太阳能电池等方面的运用远景可观。凭借聚合物的石墨烯搬运是现在搬运技能开展的一种趋势。跟着石墨烯职业的快速开展,在很大程度上对石墨烯组成、搬运和运用的各个环节提出了更高的要求。从已有的搬运技能来看,大面积、高功率、高产出均匀单层和少层石墨烯膜依旧是应战。而在衬底的挑选上,大多搬运办法倾向于运用柔性衬底,满意刚性衬底搬运的办法相对较少,对拓展衬底挑选规划方面的研讨还需求加强。但不论是哪种搬运办法,搬运后的石墨烯表面完好、质量均匀依旧是寻求的方针。跟着石墨烯产业化和商业化趋势的加速,开发具有遍及适用性,合适规划化出产的高效石墨烯搬运办法仍然十分必要。文章摘自:材料导报A:总述篇
作者:张自元,门传玲,曹军,李振鹏,赵明杰
“石墨烯+”电池问世,电池续航两倍不是梦!
2019-01-03 14:43:39
自电动汽车问世以来,电池的续航能力一直是人们所关注的焦点,近日,中科院宁波材料所利用石墨烯研制出了一种千瓦级铝空气电池,其能量密度相当于一般商业电池的4倍乃至更高,能量密度的高低直接决定了动力汽车的续航能力,研发项目的成功使得电动汽车行业有了进一步的提升。
自电动汽车问世以来,电池的续航能力一直是人们所关注的焦点,近日,中科院宁波材料所利用石墨烯研制出了一种千瓦级铝空气电池,其能量密度相当于一般商业电池的4倍乃至更高,能量密度的高低直接决定了动力汽车的续航能力,研发项目的成功使得电动汽车行业有了进一步的提升。这一“续航魔咒”正在被打破,新的研究技术有望解决电动汽车的“里程焦虑”。
该电池系统能量密度高达510Wh/kg、容量20kWh、输出功率1000W,该能量密度比一般电池系统有了显著的提高,验证该系统的发电能力发现,该系统可同时为一台电视、电脑、电风扇以及10个60瓦照明灯泡供电。图为浙江省石墨烯应用研究重点实验室主任刘兆平
浙江省石墨烯应用研究重点实验室主任刘兆平介绍,如果将该电池系统用于新能源汽车上的话,可多方面提高汽车的性能,车身更加轻盈,大大提高了续航里程;如果用于手机充电宝上,则可大大提高输出电量。此外,传统通讯基站酸铅蓄电池3—4年更换一次,而宁波材料所研发的铝空气电池储存时间约15年,电池寿命要长得多。“正是拥有能量密度高、价格低廉、资源丰富、绿色无污染、放电寿命长等优势,铝空气电池在通讯基站备用电源与电动汽车增程器应用方面具有诱人的市场前景。”刘兆平说。
石墨烯在锂硫电池中的应用
2019-01-03 09:36:39
随着便携式电子设备和电动汽车等产业的快速发展,人们对高能量密度电池的需求日益迫切,然而在传统锂离子电池中,正极材料因“插层式”的储锂机制导致其容量普遍较低,无法满足快速增长的市场需求。因此,新型高能量密度二次电池的探索和研发成为了储能领域的研究热点,锂硫电池就是其中之一。
一、锂硫电池简介
锂硫电池的工作原理基于硫和Li+可以发生可逆的氧化还原反应,两者之间的电化学反应式如下:基于该反应的硫正极的理论比容量高达1675mAh/g,是传统锂离子电池正极材料的10倍,同时硫储量丰富、成本低,因此锂硫电池受到了广泛关注,然而硫及多硫化物本身性质的缺陷,使得锂硫电池仍存在很多问题。
首先,硫是绝缘体,导电性差,给电荷传递过程带来困难;其次,多硫化锂可以溶解在电解质中,易迁移到金属锂一侧被还原成不溶性Li2S沉积在金属锂电极表面发生“shuttleeffet”现象;再次,可溶性多硫化锂被完全还原成不溶性硫化物时,会阻碍电子和离子的有效传输;最后,单质硫转化为不溶性硫化物后,由于两种物质密度的差异,会造成体积效应,降低电极稳定性。因此,锂硫电池存在实际容量低、循环性能差和信率性能不佳等缺点。
二、石墨烯在锂硫电池中的应用
针对上述问题,为了获得高性能的锂硫电池,研究者对硫正极进行了多种手段的复合与改性研究,设计并制备了一系列具有新颖结构和优异性能的复合硫正极材料。其中,碳材料因其导电性高、结构丰富、比表面积大等优势而得到了广泛应用,而石墨烯这一新型碳材料在提升锂硫电池性能方面有优异表现。
石墨烯是优异的电子导体,同时具有机械强度高、比表面积大等优点,同时化学改性的石墨烯及石墨烯衍生物具有一系列能为负载提供诸多活性位点的表面官能团,因此石墨烯在复合硫正极材料中得到了广泛的应用。
一方面,石墨烯被用作硫正极的导电载体,弥补硫导电性差的缺陷;另一方面,通过合理的结构设计与表面改性,石墨烯还能够抑制多硫化物的溶解。此外,在最近的研究中,科学家还发现通过石墨烯功能涂层的设计,能够减缓多硫化物在正负极之间的穿梭,抑制“shuttleeffet”现象。
1、石墨烯/硫复合正极材料研究进展
石墨烯极高的电导率可以弥补硫颗粒导电性差的问题,因此石墨烯材料多被设计成负载硫单质的导电基体或者导电网络,比如石墨烯泡沫结构可实现石墨烯与硫在纳米尺度的均匀复合,能够为硫提供快速与高效的电子传输通道,同时纳米孔还能够有效束缚多硫化物。
常规条件下获得的三维石墨烯尽管结构丰富,但极为蓬松,表观密度很低,导致硫负载后复合电极材料体积能量密度严重不足,为此,中科院沈阳金属所成会明院士利用CVD方法在泡沫镍上获得三维多孔石墨烯泡沫。图1 (a)柔性石墨烯/硫复合材料的制备流程;(b、c、d、e)石墨烯/硫复合电极材料照片及柔性展示
该方法不仅能够负载高比例的硫,而且硫的含量能够在3.3~10.1mg/cm2范围内进行调控,特别是负载量为10.1mg/cm2的电极,能够获得极高的比面积容量(13.4mAh/cm2)。
另外,考虑到石墨烯独特的二维片状纳米结构,采用以石墨烯纳米片作为包裹材料,构筑具有“核壳”结构的复合电极材料也是固定多硫化物,缓解其溶解的重要方式。先在碳纳米纤维表面均匀负载上硫,再使用石墨烯包覆在硫表面是一种很有效的方法。图2 具有同轴结构石墨烯/S/碳纳米纤维复合电极制备图
2、石墨烯功能涂层在锂硫电池中的应用
为提高锂硫电池的循环稳定性,除了对硫正极材料的组成与结构进行调控以抑制多硫化物的溶解,通过极片结构的设计来减弱“shuttleeffect”也是一条重要途径。例如,在硫正极和隔膜间添加一层缓冲层能够极大的提高锂硫电池的寿命。图3 石墨烯隔膜涂层有效阻挡多硫化物迁移示意图
石墨烯/硫/石墨烯-隔膜的创新极片结构设计,一方面将集流体由传统的Al箔改为石墨烯;另一方面对隔膜进行改性,改变了原有隔膜与硫正极直接接触的方式,在隔膜表面涂布一层石墨烯材料。
采用传统的极片结构,在循环过程中多硫化物溶解在电解液后,会穿过隔膜进入金属Li一侧,而在这一新颖结构中,存在于隔膜与正极材料之间的石墨烯层能够有效阻止多硫化物的迁移。另外,由于石墨烯材料优异的力学性能,石墨烯改性隔膜能够有效缓解硫正极在充放电过程中的体积变化,保持极片结构的完整性。
综述:
电化学储能在当今人们的生产生活中占有重要地位,无论是可再生能源的大量存储还是便携式设备的高密度存储,对电化学储能器件和材料的成本、储能密度、稳定性等指标都提出了较高的要求。
锂硫电池由于其理论比容量、比能量高,原料价廉易得,在未来电化学储能领域中将极具竞争力,如果通过石墨烯的应用能够改善锂硫电池实际容量低、循环性能差和信率性能不佳等缺点,在不远的将来,锂硫电池的表现可能会给我们带来更多惊喜。
超重力法制备石墨烯材料研究
2019-02-28 11:46:07
石墨烯(Graphenes):是一种二维纳米碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的总称。石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度为一个原子层。碳原子之间由s键衔接,结合办法为sp2杂化,这些s键赋予了石墨烯极端优异的力学性质和结构刚性。
1、石墨烯的根本特性和制备办法
石墨烯(Graphenes):是一种二维纳米碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的总称。石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度为一个原子层。碳原子之间由s键衔接,结合办法为sp2杂化,这些s键赋予了石墨烯极端优异的力学性质和结构刚性。
石墨烯是已知的世上最薄、最坚固的纳米材料,它几乎是彻底通明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子搬迁率超越15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约1Ω·m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子搬迁的速度极快,因而被等待可用来开展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。因为石墨烯实质上是一种通明、杰出的导体,也合适用来制作通明触控屏幕、光板、乃至是太阳能电池。图1 石墨烯的结构示意图
石墨烯首要制备办法图2 石墨烯制备办法优缺点比较
制备石墨烯常见的办法为液相剥离法、氧化复原法、SiC外延生长法和化学气相堆积法(CVD)。液相剥离法是在溶液中首要依托机械力的作用,战胜石墨层间的范德华力,将体相石墨剥离成单层或少层石墨烯的办法。现在最常用的剥离设备是超声发生器,存在扩大难、功率低及石墨烯层数较厚等问题。
氧化复原法是经过将石墨氧化,增大石墨层之间的距离,再经过物理办法将其别离,最终经过化学法复原,得到石墨烯的办法。这种办法操作简略,产值高,可是产品质量稍差。一般运用的剥离设备是超声发生器,氧化复原设备是反应釜,导致扩大难及氧化复原功率低一级问题。
SiC外延法是经过在超高真空的高温环境下,使硅原子提高脱离材料,剩余的C原子经过自组方式重构,然后得到根据SiC衬底的石墨烯。这种办法能够获得高质量的石墨烯,可是这种办法对设备要求较高。
CVD法是现在最有或许完成工业化制备高质量、大面积石墨烯的办法。这种办法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特色,但现阶段本钱较高,工艺条件还需进一步完善。这些办法中最有或许规模化的低本钱制备办法是液相剥离法和氧化复原法。
2、超重力氧化复原法制备石墨烯
2.1 超重力技能介绍:
超重力技能是使用旋转填充床(RPB)发生的比地球重力大得多的超重力环境,强化物质的传递、混合、传热及化学反应的技能。
自世纪面世以来,在国内外遭到广泛的注重,因为它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易工作、易修理、安全、牢靠、灵敏以及更能适应环境等长处,使得超重力技能在化工、环保、材料等工业领域中较广泛应用。
超重力工程技能的特色:具有微观混合特性;具有极大的强化传质特性;能发生均匀而有梯度的剪切作用;扩大作用不明显等。图3 年产1万吨超重力法纳米碳酸钙出产线
2.2 超重力氧化复原法制备石墨烯:图4 超重力氧化复原法制备石墨烯研讨布景图5 超重力氧化复原法制备石墨烯根本工艺
2.3 超重力法氧化石墨剥离技能
(1)剥离时刻对氧化石墨烯功能影响:图6 不同剥离时刻制备的氧化石墨烯对MB染料吸附曲线图7 不同剥离时刻制备的氧化石墨烯TEM相片
(2)氧化石墨溶液浓度对氧化石墨烯功能的影响图8 不同氧化石墨溶液浓度制备的氧化石墨烯对MB染料吸附曲线图9 不同溶液不同氧化石墨溶液浓度制备的氧化石墨烯层数示意图
由图9标明:G峰的波数越高,层数越少,G’峰的波数越低,层数越少。D峰和G峰的强度比ID/IG数值越大,缺点程度越高
(3)旋转床办法和超声法制备氧化石墨烯功能比照图10石墨烯循环伏安曲线图(a)经旋转床剥离后制备石墨烯CV曲线;(b)经超声剥离后制备石墨烯CV曲线;(c)两种办法制备石墨烯在10mV/s下CV曲线
成果显现:旋转床办法制备的石墨烯比电容量为225F/g,而超声办法制备为175 F/g。图11 两种办法制备的石墨烯沟通阻抗值比较
旋转床制备的石墨烯沟通阻抗值约为7.5Ω,超声反应釜制备的石墨烯沟通阻抗值约为14Ω,阻抗值更小,导电率更大,选用四探针法测定的石墨烯均匀电导率,RPB剥离的为312.8S/m,超声反应釜的为278.1 S/m 。
2.4 超重力复原技能
(1)温度对超重力复原法制备石墨烯的影响图12 不同复原温度下制备石墨烯的CV曲线图13 不同复原温度下制备石墨烯的EIS曲线
(2)不同复原剂品种对制备石墨烯功能的影响不同复原剂制备石墨烯TEM相片不同复原剂制备石墨烯红外光谱相片
图14不同复原剂品种对制备石墨烯功能的影响
由图14能够看出,VC(抗坏血酸)和复原作用较好,复原程度较高,含氧基团特征峰强度低 。
(3)超重力法和惯例办法复原氧化石墨烯的作用比照图15 超重力法和惯例法制备石墨烯XPS成果比照
小结:3、超重力液相剥离法制备石墨烯图16 超重力液相剥离法制备石墨烯设备图17 超重力液相剥离法制备石墨成果
横向尺度150nm, 厚度3-9层,浓度:0.3mg/ml; 产率:3%; 溶剂为水
4、总结
(1)超重力氧化复原法制备石墨烯具有产品质量高,出产功率高,易产业化的特色。
(2)超重力直接剥离法具有本钱低,产品质量好,易产业化的特色。
(3)这种技能也有望用于其它层状材料,如:高岭土、蒙脱土、云母等的剥离及深加工,欢迎合作开发。
为何石墨软石墨烯“硬”
2019-01-04 15:47:49
导读
为什么石墨那么软,而石墨烯又表现得那么“硬”呢?浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说,其实这里涉及两个不同的概念,一个是强度,这是力学概念,一个是硬度,属于物理概念。
石墨烯的“硬”,是指强度高,衡量强度的指标是杨氏模量,根据杨氏模量的高低可以把物质分为硬物质和软物质。石墨烯的模量非常高,可达1T帕(压强单位),是材料里最高的,所以石墨烯是硬物质,可以说是很硬。相应的像橡胶这些,模量只有几千帕,就是软物质,很软。材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念,这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说,石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好,就是它抗断裂的能力很强,这也和它的韧性很好有关系,因为容易延展而不断裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。
再说石墨的软,这是物理概念,指的是硬度。硬度的衡量,是用一种材料去破坏另一种材料,被破坏的硬度就小。石墨的片层之间是范德华力,非常弱,只要用固体去划它,都能把它的片层错开,所以石墨很容易被破坏,就是说石墨很软。
为何石墨软,石墨烯“硬”?
2019-01-03 09:37:04
为什么石墨那么软,而石墨烯又表现得那么“硬”呢?浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说,其实这里涉及两个不同的概念,一个是强度,这是力学概念,一个是硬度,属于物理概念。
石墨烯的“硬”,是指强度高,衡量强度的指标是杨氏模量,根据杨氏模量的高低可以把物质分为硬物质和软物质。石墨烯的模量非常高,可达1T帕(压强单位),是材料里最高的,所以石墨烯是硬物质,可以说是很硬。相应的像橡胶这些,模量只有几千帕,就是软物质,很软。
材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念,这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说,石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好,就是它抗断裂的能力很强,这也和它的韧性很好有关系,因为容易延展而不断裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。
再说石墨的软,这是物理概念,指的是硬度。硬度的衡量,是用一种材料去破坏另一种材料,被破坏的硬度就小。石墨的片层之间是范德华力,非常弱,只要用固体去划它,都能把它的片层错开,所以石墨很容易被破坏,就是说石墨很软。
石墨烯基无机纳米复合材料
2019-03-07 09:03:45
石墨烯是近年被发现和组成的一种新式二维平而碳质纳米材料。因为其别致的物理和化学性质,石墨烯己经成为备受瞩目的科学新星,是纳米材料范畴的一大研讨热门。在石墨烯的研讨中,根据石墨烯的无机纳米复合材料是石墨烯迈向实践使用的一个重要方向。金属/石墨烯纳米复合材料金属/石墨烯纳米复合材料是经过将金属纳米粒子涣散在石墨烯片上构成的。现在,对该类复合材料的研讨首要会集在用贵金属等功能性金属纳米粒子润饰石墨烯,这不只能够得到比金属自身功能更优越的复合材料,显现出潜在使用价值,并且能够削减贵金属的耗费,具有很大的经济价值。石墨烯与铂系金属的复合用表而积大、导电性好的碳材料负载纳米尺度的铂系催化剂能够明显进步其在质子交流膜燃料电池(PEMFC)中的电催化功能。这不只能够使催化剂表而积最大化,以利于电子的传递,并且导电性的支撑材料起到了富集和传递电子效果。现在所用的首要支撑材料是炭黑,但因为石墨烯有着愈加优异的功能,所以被以为是更为抱负的支撑材料。美国圣母大学的Kamat等用NaBH、复原H2PtCh与氧化石墨烯的混合液,组成了Pt/CE纳米复合材料,所得的复合材料在氢氧燃料电池中的电催化活性(161mW /cm2)高于无支撑的Pt (96mW/cm2),标明石墨烯是开展电催化的有用支撑材料(图1)。图1 Pt/GE电催化反响暗示图南京理工大学汪信课题组提出了制备金属/石墨烯纳米复合物的一般道路:先制备氧化石墨,并超声剥离成氧化石墨烯;然后将金属纳米粒子附着在氧化石墨烯表而;终究复原构成石墨烯/金属纳米复合物(如图2所示)。别的,微波法是一种快速有用地制备金属/石墨烯复合材料的办法。图2制备金属/石墨烯纳米复合物的一般道路:1)将石墨氧化得到层间隔更大的氧化石墨,(2)将氧化石墨剥离得到氧化石墨烯片,(3)将金属纳米粒子附着在氧化石墨烯片上,(4)将氧化石墨烯复原成石墨烯,得到金属/石墨烯纳米复合材料石墨烯与金属Ag的复合南京理工大学汪信课题组以氧化石墨烯为基底,用AgNO3,葡萄糖及经过银镜反响,制备出具有高反射率的Ag纳米粒子薄膜。Ag的附着导致薄膜中氧化石墨烯拉曼信号的增强,其增强程度能够经过氧化石墨烯片在Ag纳米粒子的数量进行调理。图3 一步组成Ag/GO复合材料暗示图Pasrich等将Ag2SO4、参加含KOH的氧化石墨烯悬浮液中,因为氧化石墨烯上的轻基具有酚的弱酸性,在碱性条件下生成酚盐阴离子,酚盐阴离子经过芳香族亲电取代反响将电子搬运给Ag+,使Ag+被复原,生成Ag/CO复合物(如图3所示),用胁复原该复合物得到了Ag/CE复合物。石墨烯与其他金属材料的复合Stark等不必表而活性剂,以石墨烯作为涣散剂包裹在Co表而;然后与聚合物(PMMA,PEO)复合,得到了CE/Co/聚合物复合材料。该材料结合了金属与聚合物的优异功能,为石墨烯供给了一个新的使用途径。Warne:等用简略的办法将CoCl2纳米晶附着在石墨烯上,HRTEM显现CoCl2纳米晶在石墨烯表而发作平动和滚动,终究结组成单个晶粒,在真空下退火可将CoCl2转化成Co,构成Co/CE复合物。该项研讨显现出用石墨烯作为HRTEM分析支撑薄膜的使用远景。半导体/石墨烯纳米复合材料石墨烯因为其共同的电学性质,使得其与半导体材料的复组成为一个热门研讨课题。石墨烯作为半导体纳米粒子的支撑材料,能够起到电子传递通道的效果,然后有用地进步半导体材料的电学、光学和光电转化等功能。例如,用作锂离子电池(LIB)电极材料的半导体纳米粒子与石墨烯制成纳米复合材料,能够有用阻比纳米粒子的聚会,缩短锂离子的搬迁间隔,进步锂离子嵌入功率;一起,能够缓解锂离子嵌入-嵌出所形成的体积改变,改进电池的循环安稳性。石墨烯与TiO2的复合TiO2因其安稳、无污染的特性而成为最佳的光催化材料之一。因为光激起TiO2发生的电子空穴对极易复合,所以使用石墨烯共同的电子传输特性下降光生载流子的复合,然后进步TiO2光催化功率成为了一个研讨热门。图4 (a) TiO, /GE及其受紫外光激起暗示;(b)以石墨烯为载体组成多组分催化体系暗示图美国圣母大学的Kamat等将氧化石墨粉末参加TiO2胶体涣散液中超声,得到包裹着TiO2纳米粒子的氧化石墨烯悬浮液,在氮气的维护下用紫外光照耀悬浮液,得到TiO2/CE复合材料。TiO2作为光催化剂将光电子从TiO2搬运至氧化石墨烯片上,紫外光被以为起到了复原剂的效果(图4a)。该法不只供给了一种氧化石墨烯的紫外光辅佐复原技能,并且为取得具有光学活性的半导体/石墨烯复合材料拓荒了新的途径。最近,该课题组初次组成了以石墨烯为载体的多组分催化体系,他们首要经过光激起将电子从T1O2转至氧化石墨烯片上,部分电子用于氧化石墨烯的复原,其他的电子储存在复原后的石墨烯片上;然后向石墨烯悬浮液引进AgNO3,储存在石墨烯片上的电子将Ag+复原成Ag,然后组成了TiO2和Ag处于别离方位的二维TiO2/Ag/CE催化体系(图4b)。石墨烯与Co3O4的复合Co3O4是一种重要的磁性P型半导体,在催化剂、磁性材料、电极材料等范畴有着很大的使用价值Co3O4与石墨烯的复合被以为能够改进其功能并扩展其使用范畴。图5使用金属有机前驱体组成Co/GE和Co3O4/GE复合材料暗示图Yang等研讨了使用金属有机前驱体组成金属或金属氧化物与石墨烯的复合材料的办法,他们用酞著钻(CoPc)与氧化石墨烯片在中混合后用胁复原,组成了CoPc/CE复合物;然后将所组成的复合物在维护下高温分化生成Co/CE复合物;终究将Co/CE复合物在空气中氧化生成Co3O4/CE复合物(如图5所示)。石墨烯与SnO2的复合现在,SnO2的一个重要开展方向是代替碳材料作为锂离子电池(LIB)负极材料,但因为SnO2充放电过程中体积改变大,然后下降了其循环安稳性。研讨者期望经过其与石墨烯的复合来改进这一点。石墨烯与ZnO的复合ZnO半导体因为具有宽的带隙和较大的激子结合能,在场发射显现器、传感器、晶体管等范畴具有潜在的使用价值。国内外研讨者期望经过其与石墨烯的复合进一步扩展其使用规模。图6水热法在石墨烯片上组成规矩摆放的ZnO纳米棒暗示图Park等研讨了经过水热法在石墨烯片上组成ZnO纳米棒阵列的办法:首要经过化学气相堆积法(CVD)使石墨烯在涂有Ni的SiO2/Si基片上成长(图6a};然后将涂有聚甲基酸甲酷CPM M A)的基片浸入HF中得到游离的PMMA/CE(图6b);再将起维护效果的PMMA溶解在中;终究别离经过两种办法在石墨烯上水热组成了规矩摆放的ZnO纳米棒。石墨烯磁性纳米复合材料人们不只研讨了半导体化合物与石墨烯的复合,还使用其他功能性无机化合物纳米粒子润饰石墨烯。如用磁性纳米粒子润饰的石墨烯材料在电磁屏蔽、磁记录及生物医学等范畴具有宽广的使用远景,是石墨烯复合材料研讨的一个重要方向。结语及展望根据碳纳米管的无机纳米复合材料因为其优秀的性质己经在生物医药、催化、传感器等使用范畴得到了广泛而深化的研讨。与碳纳米管比较,石墨烯具有类似的物理性质、更大的比表而积和更低的生产成本,所以石墨烯是代替碳纳米管组成碳基无机纳米复合材料的抱负基体材料。尽管与石墨烯/聚合物复合材料比较,石墨烯基无机纳米复合材料的研讨起步较晚,但在短短的几年内,石墨烯基无机纳米复合材料的组成及其相关使用的研讨己经取得了很大的发展。但要真实完成石墨烯基无机纳米复合材料大规模组成和产业化使用还而临很多问题和应战。文章选自:化学发展
作者:柏篙、沈小平
漫画简介石墨烯!
2019-03-08 09:05:26
石墨烯被称为“黑金”,又被称为“新材料之王”,是现在发现的最薄、强度最大、导电导热功能最强的一种新式纳米材料,极有或许掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革新。
石墨烯的制备上,多晶薄膜有望未来1-2年内完成产业化使用,单晶石墨烯工业组成办法仍未找到,因而间隔产业化还很悠远。低成本的使用氧化还原法出产石墨烯粉体,一起可以使用CVD法出产出层数可控、大面积的石墨烯薄膜是未来研究要点,也是推进职业开展的要害点。而在使用层面,未来被看好的范畴是锂离子电池、柔性显现、太阳能电池和超级电容器。
石墨烯:改变21世纪的材料
2019-01-03 09:36:46
南江集团旗下宁波墨西科技公司近日发出声明,公司300吨石墨烯生产线项目有望在10月底试生产。这意味着石墨烯产业化又向前迈出了一大步,有关专家预估石墨烯将成为21世纪最有前景的材料。
石墨烯,只有一个碳原子厚度的二维材料,也是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯比钢铁还要坚硬200倍,同时又极其轻巧。它的神奇之处在于,尽管硬度超过钻石,可是厚度却只有纸张的200万分之一,还可以弯曲。
需求旺盛 前景广阔
石墨烯的用途广泛,据《华尔街日报》报道,石墨烯具有极强的导电和导热能力。石墨烯的纤薄、导电等功能,让它目前的主要应用集中在电视、手机的触控显示屏上,但从长远来看,石墨烯还可运用于医学、运输等领域。比如,采用石墨烯技术的化妆品,可以替代现在化妆品中的重金属;利用石墨烯制造的无毒害透明胶布,贴在伤口后可以起到隔绝细菌的功能。科学家还预测,石墨烯将实现人们有关可折叠手机和电子报纸的梦想。未来,石墨烯可用于生产频率更高、发热量更小、信息量更大的计算机芯片。用石墨烯制备的手机电池,三分钟就充满电,能打半个月电话。应用了石墨烯的光调制器,可使网络速度快一万倍。石墨烯可实现直接快速低成本的基因测序,几个小时就能测定完你自己的基因序列或者很快就能从基因上鉴定某种疾病。用石墨烯还可开发出超轻型飞机、超坚韧的防弹衣、轻型汽车,甚至是直上九霄的太空电梯。石墨烯无疑是改变21世纪的材料。
中科院在发布的《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》研究报告中指出,未来5~10年世界可能发生22个重大科技事件,其中石墨烯将成为“后硅时代”的新潜力材料。
技术限制 产能落后
虽然石墨烯的用途广、需求量大,但其开采量却直接受到了生产技术的制约,目前我国石墨烯材料的制备方法有:机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。
微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯,但存在产率低和成本高的不足,不满足工业化和规模化生产要求。
化学气相沉积法,用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯,但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵,这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求,但成本较高,工艺复杂。
氧化-还原法的缺点是宏量制备,容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷,使石墨烯的应用受到限制。
溶剂剥离法的缺点是产率很低。
溶剂热法生产的石墨烯电导率很低
依托科技 赢得机遇
我国石墨烯产业起步晚,对石墨烯的研究还处于相对较落后的阶段。
石墨烯产业的加速发展必须依靠科技,目前国内多所大学在石墨烯的制备及应用领域申请了众多专利,中国石墨烯产业技术创新战略联盟在北京的成立等都将极大地推动石墨烯产业的发展。
国家政策的支持,企业能力的提升,市场旺盛的需求都将引导石墨烯产业向更广的方向迈进,石墨烯的未来前景将不可限量。
石墨烯真神奇
2019-03-07 10:03:00
近两年石墨烯的可控低成本制备技能已获得了打破性开展,有望在不久的将来构成石墨烯工业。
日前,在深圳举行的第十九届我国世界高新技能效果交易会上,石墨烯作为独具特色的新材料再次引起人们的重视,成为这个国内最大规划、最具影响力的科技展会上一个耀眼的“明星”。石墨烯到底有哪些奇特之处,能为人们带来什么惊喜?记者采访了相关专家。
人类正行进在以硅为首要物质载体的信息年代,下一个量子年代,石墨烯很或许锋芒毕露
和金刚石相同,石墨是碳元素的一种存在方式。风趣的是,因为原子结构不同,金刚石是地球上自然界最坚固的东西,石墨则成了最软的矿藏之一,常做成石墨棒和铅笔芯。
科学家介绍说,石墨烯是从石墨材料中剥离出来,只由一层碳原子构成、按蜂窝状六边形摆放的平面晶体。浅显地讲,石墨烯就是单层石墨。一块厚1毫米的石墨大约包括300万层石墨烯;铅笔在纸上悄悄划过,留下的痕迹就或许是好多层石墨烯。
这种只要一个原子厚度的二维材料,一向被以为是假定性的结构,无法独自安稳存在。直至2004年,两位英国科学家成功地从石墨中别离出石墨烯,证明了其可以独自存在,并因而一起获得2010年诺贝尔物理学奖。
据我国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路要点试验室主任高涛博士介绍,石墨烯共同的结构让它具有更导电、更传热、更坚固、更透光等优异的电学、热学、力学、光学等方面的功能。轻浮、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们许多幻想空间。
石墨烯的特色首先是薄,可谓现在世界上最薄的材料,只要一个原子那么厚,约0.3纳米,是一张A4纸厚度的十万分之一、一根头发丝的五十万分之一。与此一起,石墨烯比金刚石更硬,透光率高达97.7%,是世界上最坚固又最薄的纳米材料。
一起,它又能导电。石墨烯的电子运转速度达1000千米/秒,是光速的1/300,十分合适制造下一代超高频电子器材。石墨烯仍是传导热量的高手,比最能导热的银还要强10倍。
石墨烯的特性,也体现得很“好玩”。比方当一滴水在石墨烯表面翻滚时,石墨烯能敏锐地“察觉”到纤细的运动,并发生继续的电流。这种特性给科学家供给了一种新思路——从水的活动中获取电能。比方,在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞进行发电,或许可以做成活络的传感器材等。
“人类阅历了石器、陶器、铜器、铁器年代,正行进在以硅为首要物质载体的信息年代;而下一个量子年代哪种材料将锋芒毕露呢?很或许是石墨烯。”浙江大学高分子科学与工程学系教授高明说。
未来电动轿车运用石墨烯电池,花两三分钟就或许把电充溢
因为石墨烯的奇特功能,加上制备简洁、研讨视角多维,其运用潜力巨大、适用职业广大,成为抢眼的材料“新星”一点不古怪。石墨烯从发现到现在仅10余年的时刻,已获得了许多令人震慑的研讨效果,称得上是人类历史上从发现到运用最快的材料。
高明说,从材料化学视点看,石墨烯会带来资源、环境、化工、材料、动力、传感、交通机械、光电信息、健康智能、航空航天等范畴的改动或革新。我国石墨矿储量丰厚,约占全世界的75%,其高效开发将引起碳资源及我国大资源战略的新定位、新考虑、新规划。
石墨烯的工业化出产则将促进化工、机械、智造、自控等职业的技能前进。石墨烯的增加可以发生多功能复合材料,用来制造高功能电池、电容器。石墨烯传感器可以在生物检测、光电勘探方面大显神通,石墨烯及其它二维材料的异质叠合材料可制造高功能晶体管。
可以说,石墨烯技能将对咱们的吃、穿、住、行、用、玩都发生影响。石墨烯复合膜阻氧阻水功能好,可前进食物保质期;石墨烯纤维可制成发热服饰和医疗保健用品;石墨烯电热膜电热转化效率高,可逐渐替代暖气供热;石墨烯系列材料可用于轿车、火车等交通工具,石墨烯导热膜可用于手机高效散热……
石墨烯另一个被寄予厚望的运用范畴是电能贮存。它的优势在于充电速度快,并且可以重复运用几万次。但现在石墨烯存储的电量不如电池多,还无法存储足够多的电能。未来,跟着充电设备的日益完善和相关技能的前进,电动轿车运用石墨烯电池,花两三分钟就或许把电充溢。
我国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路要点试验室副主任孔月婵博士介绍说,石墨烯的电子运转速度是硅的十倍,由石墨烯制造的高频器材理论上作业频率可以到达硅的十倍乃至上百倍。石墨烯引发的技能很或许从人们常见的小小芯片开端。
此外,科研人员已完结柔性衬底晶体管的研发,正在测验柔性通讯电路的研发。未来不管是可以折叠的显现屏幕,仍是可以植入人体的可穿戴设备,都或许靠这样的石墨烯器材来完成。
高涛以为,即便在试验室条件下,石墨烯的奇特功能仍然没有彻底释放出来。因为技能层面还存在着不少应战,真实大面积运用还有很长的路要走。但经过加强需求和研讨的结合,不断在石墨烯材料的制备和器材研发方面获得重要打破,发明更多更新更具颠覆性的运用,石墨烯这种新一代战略性新式材料将会极大改动人们的生发日子。
国内石墨烯研讨与国外底子同步,有望在不久的将来构成石墨烯工业
石墨烯一向是世界上的研讨热门,并在不断升温。近几年来,全球石墨烯相关的论文和发明专利简直呈指数式增加,不只各类优异的物理化学功能被猜测、证明,并且由此生宣布许多详细的研讨方向。
据了解,许多国家正在抢夺石墨烯技能的制高点。欧盟石墨烯旗舰方案以石墨烯传感为首要研讨方向,美国正在测验使用石墨烯完成通讯的柔性化并获得了明显的效果,韩国继续支撑石墨烯柔性显现的研讨并制备出了演示产品。
高涛说,整体来讲,世界上石墨烯各项优异功能正逐渐从试验室研讨向产品运用过渡,一起一些潜在的功能或运用还在不断被开掘。但这个工程化是一个长时间而困难的进程,给我国完成赶超世界水平、占据技能制高点带来了绝好的机会。
高明以为,现在国内石墨烯研讨与国外底子同步,一些方面有原创和引领性效果。国内研讨侧重化学和材料,国外更偏机理和器材。国内石墨烯的研讨在理论研讨方面可说是已完成与世界先进水平“并跑”,论文、专利不管数量仍是质量都具有很强的世界竞争力。到2016年3月,我国石墨烯的专利总数占全世界的56%。与此一起,国家赞助了很多有关石墨烯的基础研讨项目,开始构成了政府、科研机构和厂商协同立异的产学研协作对接机制。
例如,清华大学开宣布米级石墨烯单晶薄膜的快速制备技能;我国电科55所研宣布了世界上最快的柔性石墨烯晶体管;浙江大学纳米高分子团队则经过近十年研讨,开宣布了石墨烯纤维、石墨烯接连拼装膜、石墨烯超轻气凝胶及石墨烯无纺布等。
受访专家指出,各个方向不断呈现令人惊喜的研讨效果,让人们对石墨烯的未来充溢等待。但整体来讲,石墨烯技能成熟度还比较低。关于石墨烯的开展,其限制要素或许说难点,首要在材料制备技能、全新规划理念和二维控制技能等方面。其间,高品质、大批量的石墨烯质料问题暂时没有底子处理,还需要进行很多技能攻关。有些技能如单层氧化石墨烯、石墨烯单晶等在试验室制备成功了,但完成工程化、接连性、低成本、高效安稳制备还有较长的路要走。只要真实高品质的石墨烯量产了,颠覆性运用才会呈现。
不过科学家们也比较达观,近两年石墨烯的可控低成本制备技能已获得了打破性开展,有望在不久的将来构成石墨烯工业。