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新材料

石墨烯快速制备技术
发布时间 : 2019-04-25 点击量:

负责人:陈元振

所在学院:材料学院

一、项目简介

石墨烯可以视为单层石墨结构,其独特的二维结构及其优良导电性使其在微电子、半导体、电池以及防腐涂层中得到应用。目前石墨烯生产方法主要有机械剥离法,化学气相沉积法,电辅助氧化法和氧化还原法。表1里列举了这几种方法的优缺点。

1 石墨烯各生产方式优缺点对比

生产方式

优点

缺点

机械剥离法

石墨烯品质较高,操作简单,成本低廉

获得的石墨烯尺寸不稳定,无法实现量产。

化学气相沉积法

操作相对简单,石墨烯可以大面积生长,得到的石墨烯较为完整,质量较好

高温工艺,成本高;

只能达到平方厘米的量级,难以满足石墨烯的工业化应用

电辅助氧化法

生产设备简单

难以控制石墨烯生长层数;

石墨烯较难从SiC基板上转移;

使用强氧化剂,有害气体产生。

氧化还原法

简单易行的工艺成、高效且成本较低

石墨烯在生产过程易发生不可逆转的团聚;

氧化还原的过程中,电子结构及晶体的完整性易被破坏,难以生产高品质产品;

生产废液造成环境污染。

本团队开发的石墨烯采用气氛-电弧法,可以实现石墨烯的快速制备。相比于传统石墨烯制备方法,它具有如下优势:

1)生产效率极高。氧化法制备石墨烯耗时约3-7天电弧法可在几分钟到十几分钟内完成,效率是普通方法的400多倍。

2)可实现自动化。电弧法制备石墨烯属于纯物理法,从填料,抽气,放电,到收集,整个过程都可以用设置程序完成,实现自动化。

3)清洁,无污染。传统的化学氧化法要大量使用浓硫酸,磷酸,高锰酸钾,硝酸盐等,制备过程中会造成空气污染和水污染,工人的操作环境差。而电弧法在密闭的腔室中完成,而且不会产生污染物。

4)材料纯度高。物理电弧法不会引入杂质对石墨烯造成污染,而且电弧放电是持续稳定的,因此,石墨烯的纯度高,均一性好。

电弧法制备的石墨烯形貌如图1所示,石墨烯为小尺寸片状形貌,透射电镜(图1 cd)显示石墨烯为1-7层不等的碳原子层组成。

1 石墨烯形貌表征

二、技术指标(性能参数)

层数

1-7

纯度

90%(视石墨棒加工方法)

尺寸

200-500 nm

三、市场前景及应用

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。不同形貌的石墨烯具有不同的应用范围。如大尺寸石墨烯膜可以用作柔性显示器,变色玻璃。石墨烯还可以用来制作晶体管,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。本项目生产的石墨烯为小尺寸石墨烯粉体材料,可以在汽车,新能源电池,催化剂载体,石墨烯电缆,散热片等方面有巨大的应用潜力。

四、技术成熟度WYG2-石油用

□概念验证   □原理样机  R工程样机  £中试    £产业化

五、合作方式

£联合研发  £技术入股  □转让   £授权(许可) R面议