用3D打印各種形狀石墨烯氣凝膠

提起石墨烯,最出名的大概就是2010年兩位科學傢憑借對石墨烯的深入研究,分享諾貝爾物理學獎。復旦大學近日傳出消息,該校與新加坡國立大學研究人員合作研發,尋找到全新的石墨烯高效率制備,這一技術核心將非常容易“放大”到產業。

與傳統的發表論文、企業合作路徑不同,課題組完全反著來――2013年創新成果,2014年申請專利,2015年專利轉讓給國內一傢企業後,才在線發表於 《自然?通訊》。課題組負責人之一,復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國傢重點實驗室盧紅斌說:“好東西要放一放,沉淀一下可能更好。”

成為創新產品功能性添加劑

石墨烯不僅因諾貝爾獎而廣為人知,它早已與生活息息相關。本來就存在於自然界,隻是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。因其完美的二維結構,石墨烯已成為許多創新產品的功能性添加劑。比如將其加入特殊高分子塗料後,可憑借隔絕性能,延長塗料塗裝壽命; 加入電池做導電劑,可讓電子傳輸更便利,提升充電速度;加入一些纖維和電熱裝置,其特殊的導電、導熱性能,可讓產品性能提升一個臺階。

如此有用的東西,其更好的制備方法也成為學界和產業共同競逐的目標。英國曼徹斯特大學的兩位科學傢安德烈?傑姆和克斯特亞?諾沃消洛夫發現,他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二,重復操作讓薄片越來越薄,最後他們得到僅由一層碳原子構成的薄片,就是石墨烯。這以後,制備石墨烯的新方法層出不窮,經過5年發展,人們發現,將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠瞭。

解決石墨烯規模化應用難題

對於石墨烯,盧紅斌給出三個“最”的評價:現有材料中厚度最薄,僅0.335納米;強度最高,是鋼的100倍;導熱性最好,比金屬銀還高10倍以上,此外其電子遷移率極高,比矽還高2個數量級。這種新型二維材料,在智能裝備、航空航天、能源儲存和環境治理等諸多領域應用潛力巨大,是重要的戰略新興材料。

但如何實現高質量石墨烯的高效率、規模化制備,一直是制約其大規模應用的關鍵難題。其實,石墨烯是天然存在於自然界中的,制備的理想解決方案是從天然鱗片石墨出發,將其在特定溶劑液相中剝離成石墨烯。換句話說,由於石墨烯是疏水的,需在剝離的環境液體中加入大量活性劑,否則難以剝離。常見做法,往往制備1噸石墨烯,需加入3噸高錳酸鉀等氧化劑,讓其變為氧化石墨烯,剝離後再還原,這一過程中氧化、還原,以及清洗產生的廢水不少,而且也讓石墨烯失去瞭一些特有的性質。

如何克服這些難題?該課題組研究人員采用一種非穩定分散的策略,通過在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團,實現在極高濃度下的快速、高產率剝離,剝離產物90%以上為單層石墨烯,且晶格缺陷少,有效解決瞭石墨烯規模化應用中的儲存和運輸難題。此外,該方法制備的石墨烯水相漿料表現出瞭良好的流變特性,可直接通過3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠,從而為石墨烯在儲能、環境治理、多功能復合材料等領域的應用開辟瞭新途徑。

相关新闻