改良石墨烯增产的制取方法
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改良石墨烯增产的制取方法 发布于:2019/04/01
    石墨烯是一种由碳原子以sp2 杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的二维材料,所以又叫单原子层石墨。由于具备良好的强度、韧性,导电、导热性能及光学特性,石墨烯在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
  虽然科学家已经发现并成功获得了石墨烯,但现阶段工业生产石墨烯的效率低、成本高,使得石墨烯的价格一直居高不下,不利于石墨烯产业的发展。
  目前,石墨烯的主要制取方法有粉体生产法和薄膜生产法。粉体生产法主要有机械剥离法、氧化还原法、SIC外延法,薄膜生产法主要是化学气相沉积法。
  粉体生产法中的机械剥离法效率过低,氧化还原法生产出的石墨烯质量不好,SIC外延法对设备的要求较高。化学气相沉积法的成本较高,工艺也不完善。
  我想对粉体生产法中的机械剥离法进行改良。2004年,科学家在一次偶然的情况下想到用胶粘石墨,把胶撕下来就能得到一片石墨烯。既然可以用胶粘下一片石墨烯,我们能不能也想一种方法,一层層地将石墨烯从石墨上剥离?
  一、设计方案
  1.如图1所示,将一块石墨放进水中,要求此石墨的每一层都处于水平位置。
  2.将其冷冻,待水结冰后拿出,削去上层的冰块,让石墨的顶端平面与冰面在同一平面上。
  3.用一块加热到一定温度(此温度需要实验测得,为最佳温度)的铁片(或其他材质,此材质的最终确定也需进行实验),将其置于冰的表面高速滑过。稍加热铁片,所得石墨烯会自动从铁片脱落。
  4.重复以上操作,可制得大量石墨烯。
  二、设计原理
  如图2所示,深色球为水分子(此时为冰),浅色球为碳原子,AB为铁片。当铁片加热后飞速滑过冰冻后的石墨表面时,冰刚好融化一层(此过程的温度与铁片滑过的速度应精确控制),此时的第一层碳原子会吸附在铁片上,因为水平方向有较大的摩擦力(如同两片中间有水的玻璃,由于大气压力与分子间作用力的共同作用,其间的吸附力与摩擦力都很大),铁片将带动第一层碳原子与它一起运动,可第一层碳原子又与第二层碳原子间有范德华力,使得第一层碳原子想带动下面几层一起运动。
  由于石墨材料分层结构的特性,层间范德华力较弱,且第二层冰未融化继而阻止了第二层碳原子的移动,所以第一层碳原子就从碳块上脱离到高速运动的铁片上。
  加热的铁片冷却后,由于石墨烯与铁片在受热时形变不同,石墨烯部分位置与铁片发生相对滑动且两者之间的大气压力消失,使得石墨烯从铁片上脱落,从而制得大量石墨烯。作者:李鸣禧 来源:发明与创新·中学生
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