重磅：新专利技术用“爆炸法”高产量制备石墨烯
导读
谈及生产石墨烯，大家往往会联想到“化学物质、催化剂、昂贵的材料和设备”。最近，堪萨斯州立大学的物理学家团队开发了一种利用“爆炸法”高产量制备石墨烯的途径，整个工艺主要利用了三种元素：「碳氢化合物气体」、「氧气」和「火花塞」。
石墨烯
之前，虽然我在多篇石墨烯相关的文章中，多次介绍石墨烯的特性、优点和应用，不过还是大家再回顾一下，毕竟这些知识很重要。
石墨烯，是世界范围内最为广泛研究的一种材料。结构上，它是一层六角形蜂巢结构组成的碳原子薄片。作为一种新型材料，它具有多种优异特性例如「高强度」、「超轻薄」、「不透水」、「导电导热性能好」、「柔韧性好」。
它的应用领域包括「电子和半导体器件」、「柔性设备」、「光学设备」、「复合材料」、「油漆和涂层」、「传感器」和「计量设备」等等。
（图片来源于：维基百科）
制备方法
目前，现有的石墨烯的常规制备方法包括：「微机械剥离法」、「外延生长法」、「化学气相沉淀CVD」、「氧化石墨还原法」等等，另外之前我还介绍过一些新型方法例如：「石墨烯制备的新方法：激光诱导相分离」。在本文中，我就不进行详细介绍了，有兴趣的朋友也可以持续关注我以后发布的文章，或者自行查阅研究。
重点要说的是：「目前这些众多的制备方法尚不能很好地满足工业化的要求」。因为，产业化要求技术稳定、成本低廉、生产周期短、制备出的石墨烯品质高。
然而，例如微机械剥离法，虽然操作简单，制备出的石墨烯品质高，但是获取的石墨烯尺寸较小，且效率低，成本高，可控性差；化学气相沉淀CVD法和外延生产法，都需要高温和催化剂条件；而氧化石墨还原法，则需要强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾及还原剂水合肼、硼氢化钠等多种化学物质，制备时间也较长，有一定的安全和环境风险。
新专利技术
最近发布的一项专利“含碳材料爆炸法高产量制备石墨烯的工艺”，能够在一定程度上克服上述制备方法的缺点，为石墨烯工业化生产带来希望。
堪萨斯州立大学物理系教授 Chris Sorensen ，是这项专利的领导者，研究人员包括堪萨斯州立大学的博士后研究员和物理讲师 Arjun Nepal，前访问学者 Gajendra Prasad Singh 。
以下图片左起：堪萨斯州立大学研究员、物理系博士生 Justin Wright ；物理系教授Chris Sorensen ；博士后研究员和物理讲师 Arjun Nepal。
（图片来源于：堪萨斯州立大学）
不同于其他的石墨烯制备方法，该方法十分简便、有效、可拓展至工业级别。这种方法给人感觉有点类似“爆米花”，可是爆出的是“石墨烯”，不过它们的原理却大相径庭。具体方法简单描述如下：
将乙炔或者乙烯气体以及氧气装入容器内，然后使用汽车火花塞引燃容器内气体，随后搜集爆炸形成的石墨烯。
（图片来源于：USPTO）
对于这种方法，我们先来看看 Sorensen 教授怎么说 ：
“我们已经发明了一种量产石墨烯的可行工艺，该工艺具有很多优点，例如经济合理性，即具有大规模生产的可能性以及避免化学材料的缺乏。这些优势当中，最佳的特性就是该工艺制备一克石墨烯所需要的能量，比其他工艺少很多，因为它需要的只是一个火花。”
偶然的惊喜
还记得那篇《一个偶然的惊喜：科学家发现“光子水”》的文章吗？科学家也是通过一个偶然的机会，意外地发现了“光子水”。然而，很多重大科学发现都有相似之处：有心栽花花不开，无心插柳柳成荫。
对于Sorensen团队来说，这也是一个“偶然的惊喜”。他们在开发黑碳气溶胶时，生产出了石墨烯。整个过程通过在17公升的铝容器内，填充乙炔和氧气，然后使用火花塞点火，在容器内形成爆炸。
（图片来源于：堪萨斯州立大学）
爆炸后，烟尘形成了一种气溶胶。
（图片来源于：堪萨斯州立大学）
（图片来源于：堪萨斯州立大学）
Sorensen 说看上去有点像“黑色的天使蛋糕”，最终的劳动成果如下图所示：
（图片来源于：堪萨斯州立大学）
但是通过进一步的分析后，研究人员发现气溶胶，不仅仅是看上去的像“黑色的天使蛋糕”。
意外的惊喜的是：它是石墨烯！
对此，Sorensen 的说法如下：
“我们本来没有计划制造石墨烯，我们计划制造气溶胶凝胶，但是我们很幸运，通过一次偶然的意外制成了石墨烯。”
意义
传统的石墨烯制备方法是能源密集型的，能量消耗大，不环保，且十分危险，产量又低。然而，Sorensen 的团队通过少量能源，大量制造石墨烯，且没有涉及危险的化学物质。研究人员Nepal说：
“我们的实验真正的魅力在于我们能以克的数量级，而不是毫克的数量级生产石墨烯。”
未来
现在，研究团队还包括了物理系博士生Justin Wright、Camp Hill、Pennsylvania，他们正致力于提高石墨烯的品质，将实验室工艺拓展到工业级别。
同时，他们也正在正升级一些设备，以便引爆后，能快速地从容量内获取石墨烯，只需要几分钟时间。Sorensen 认为，更快速地获取石墨烯有利于提高该材料的品质。
参考资料
【1】http://www.k-state.edu/media/newsreleases/2017-01/graphenepatent12517.html
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