被冠以新材料之王的石墨烯,不仅质量轻、厚度薄,并且强度高,还很坚硬,同时有着极佳的导电和导热性。但是由于其制作合成较为困难,所以价格一直居高不下,导致这种优质新材料在日常生活中应用范围很窄。但现在有了一种新的合成石墨烯的方法,甚至能让石墨烯秒变白菜价。通过石墨烯的合成方法有两种,一种是自下而上的,另一种是自上而下的。这么说可能有点抽象。简单来说,自下而上的制备方法就是通过化学合成的方法制备,而自上而下则说的是剥离石墨,用一定的化学手段将石墨烯氧化变成氧化石墨烯之后再将其还原剥离。但这两种制备手段都有着一定的缺陷。自下而上的合成方法制备的石墨烯质量虽高,但产率低,导致成本奇高。而自上而下的制备方法不仅技术要求高,而且合成的石墨烯 1 往往质量不高。这两种常见的制备方法的缺陷也限制着石墨烯相关应用的发展。但是美国莱斯大学教师他的团队在著名期刊探上发表了一篇文章,说的是他们利用了一种名为闪蒸加热工艺,可以从废旧轮胎等可回收垃圾中快速提取石墨烯,提取的石墨烯还能用于加固混凝土。业内人士感叹,如果这种方法能够广泛推广,可以说是一种点式成金的公益,也说不定。
石墨烯怎么提炼?
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
制备方法
石墨烯的合成方法主要有两种:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法 ; 化学方法是化学还原法与化学解离法。
微机械分离法
最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
取向附生法—晶膜生长
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 80 %后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特性。另外Peter W.Sutter 等使用的基质是稀有金属钌。
加热SiC方法
该法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si,在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min,从而形成极薄的石墨层,经过几年的探索,Berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定,制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料,通过高温裂解规模制备高品质无支持(Free standing)石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制,可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨实际应用非常重要的制备方法。
化学还原法
化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/mL的 比例混合, 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质,加入适量肼在100℃回流24 h ,产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯。Sasha Stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。
化学解离法
化学解离法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法,氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应。
将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应,生成一种新的材料沉积在衬底表面。具体方法是将含碳原子的气体有机物如甲烷(CH4) 、乙炔(C2H2)等在镍或铜等金属基体上高温分解,脱出氢原子的碳原子会沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。
迅速放出气体,使得氧化石墨层被还原的同时解理开,得到石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法,天津大学杨全红等用低温化学解离氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。
怎么从玉米芯中提取石墨烯?
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秸秆玉米芯其实都是神奇的物种,脱下包装顿时华丽的转型,立马变成石墨烯和玉米纤维。新材料之王”石墨烯”可以从玉米芯中提取出来的。这种材料是世界上公认的最神秘的材料,它能比钢材还硬两百倍,比导电最好的银还要好,它的厚度是一根头发的十万分之一。在近年来,“手机充电只需几秒钟”“史上最薄电灯泡”这些都是关于石墨烯的无所不能的非凡体现。然而这个神秘的材料,可以从最普通不过的秸秆和玉米芯中提取的,这是让我们很难想象得到的。对于玉米芯还有新的产品,将它碾成粉末可以生产木质素、生产纤维素、生产半纤维素,还有生产有机肥,那些废物都可以生产成有机肥。这种生产出来的全球热点新材料生物质石墨烯和玉米芯纤维,已经成功的在商业化上得到了应用。
据数据显示,5吨玉米芯成本2000元,可以生产一吨石墨烯,价值200万元。半纤维素可以生产木糖和阿拉比糖,价值13万。木质素可以生产可降解塑料袋,价值3.5万,剩余的废渣可以生产有机肥,价值3千元,这几项产生的价值共计217.5万元,折合每吨44万元。如果按照玉米芯每吨400元计算,也就是,一吨玉米芯进行一加工,身价立马转变了数千倍。在收购站,根据玉米芯的质量,按照每吨350到400元不等的价格收购,也就是收购方收购成本只需要13元,卖出去得到50元,这样一来就可以挣到30多元。从整个环节来看,把一文不值的秸秆和玉米芯在农民、收购方、制造商之间都得到了价值。
瞿卫国认为,秸秆是一种天然纤维素生物质,被认为是地球上最有价值、最丰富的可再生资源。在中国,天然纤维素生物质的年产率超过7亿吨,其中玉米秸秆占有30 %。
由于玉米秸秆中碳含量比较丰富,因此将其转化为具有特殊结构的碳材料用于需要的领域非常重要。为了解决环境污染以及资源匮乏的问题,利用玉米秸秆为原料发展简单高效的方法合成多孔类石墨烯材料是非常重要的。玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素含有丰富的极性基团,能够和各种金属离子配位。基于以上分析,以玉米秸秆为原料,基于铁的渗碳效应可以发展为一种制备多孔类石墨烯材料的方法。