超臨界流體技術(shù) 石墨烯

背景介紹

由于其獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)和出色的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)特性，石墨烯成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而，要實(shí)現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用，就必須解決大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯材料的難題。目前，石墨烯的制備方法主要包括機(jī)械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長(zhǎng)法和化學(xué)氣相沉積（CVD）法等。然而，這些方法都存在一些問(wèn)題。機(jī)械剝離法的可控性較差，并且產(chǎn)量有限；氧化還原法容易引入其他元素的摻雜和結(jié)構(gòu)缺陷，影響電導(dǎo)性；碳化硅外延生長(zhǎng)法的原料價(jià)格昂貴，并且需要嚴(yán)苛的生長(zhǎng)條件；CVD法則工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。因此，如何以較低的成本和溫和的反應(yīng)條件大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯一直是科學(xué)家們努力研究的方向。超臨界流體技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問(wèn)題提供了新思路。

何為超臨界流體？超臨界流體(supercritical fluids，SCF)具有類(lèi)似氣體的擴(kuò)散性質(zhì)，其界面張力為零,容易實(shí)現(xiàn)石墨插層；具有類(lèi)似液體的溶解能力。將高溫高壓下的超臨界流體插層到天然的鱗片狀石墨中，使石墨膨脹突破石墨層間的范德華力進(jìn)而對(duì)石墨烯進(jìn)行剝離、分散。超臨界流體剝離制備石墨烯法實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯層數(shù)的可控制備，且工藝簡(jiǎn)單、成本低、設(shè)備要求不高，在大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯具有極好的潛力。 常用的超臨界二氧化碳(scCO2)的臨界條件溫和(臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38MPa)，且CO2具有無(wú)毒、惰性、價(jià)廉以及與產(chǎn)物易于分離等優(yōu)點(diǎn)，在納米復(fù)合材料制備方面的應(yīng)用非常廣泛，將其應(yīng)用于直接剝離法制備石墨烯，避免了使用大量有機(jī)溶劑，且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的泄壓操作即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物分離。后續(xù)操作較液相剝離法大大簡(jiǎn)化，有望實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的量產(chǎn)化。

機(jī)理

超臨界流體（SCF）剝離石墨的原理以sc CO2（臨界溫度TC＝31.1℃，臨界壓力PC＝7.38MPa）為例介紹，如圖1所示。石墨是片層結(jié)構(gòu)，可以看作是單層的石墨烯通過(guò)范德華力一層層堆疊而形成（圖1Ａ），超臨界流體的高分散性和強(qiáng)滲透能力使其易于進(jìn)入石墨層間，形成插層結(jié)構(gòu)（圖1Ｂ）；當(dāng)快速泄壓時(shí)，sc CO2發(fā)生顯著膨脹，釋放大量能量克服石墨層間作用力（圖1Ｃ），得到單層或少層的石墨烯（圖1Ｄ）。這種方法操作簡(jiǎn)單，條件容易實(shí)現(xiàn)，制備過(guò)程中未使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿，綠色環(huán)保。

圖1 sc CO2剝離石墨原理圖

小結(jié)

超臨界流體技術(shù)作為一種新興的石墨烯制備技術(shù)，具有很大的潛力和應(yīng)用前景。通過(guò)利用超臨界流體的特殊性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)高純度、高質(zhì)量和可控性的石墨烯制備。此外，超臨界流體技術(shù)還可以應(yīng)用于石墨烯的功能化修飾和納米材料的合成。盡管仍然存在一些挑戰(zhàn)，但超臨界流體技術(shù)的發(fā)展前景依然廣闊，有望為石墨烯材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多可能性。