环保且可控 | 一种连续大规模生产的石墨烯新技术

最近的一项研究开发了用于大规模生产2D纳米材料（例如石墨烯）的新技术，标志着二维材料生产技术的新进步。

石墨烯的大规模应用因为缺乏工业级稳定制备的方法而受到限制，在最近的一项研究中，伦敦帝国理工学院和伯明翰大学的工程师设计了一种通过实时监控大规模生产石墨烯的新技术。

这项发表在2D材料上的研究代表了制造领域的重大进步，并为可控和可定制的批量生产提供了可行的方法，该方法可被其他2D材料采用。

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自上而下的生产方法

目前生产石墨烯的方法多种多样，分为自下而上和自上而下两种。自下而上的石墨烯生产是一个原子一个原子地制造，制造出高质量的产品，但过程非常耗时。

相反，自上而下的石墨烯生产通常要快得多，具有大规模生产的潜力，但质量明显较低。从上到下的过程从石墨开始，通过剥离的方法把石墨分成不同的片层。

在这项研究中，研究小组使用一种自上而下的生产方法，生产质量稳定的高质量石墨烯产品。

他们结合了流体动力学，数值模拟和材料表征，研究了两种不同的剥离方法。

两种方法都涉及通过激烈的混合环境，通过快速旋转的圆盘，或通过两个反向旋转的圆柱体之间的细小间隙，将含有石墨颗粒的液体泵送出去。

由此，研究小组能够确定诸如混合环境的强度和石墨颗粒在该环境中停留的时间等因素是决定纳米片特性和浓度的主要因素。

图1.  使用Taylor-Couette流程生产石墨烯。（A）液体剥落系统示意图。（B）在剥落条件下（左上，左下）的实验装置的侧视图和俯视图。剥落过程中分散在NMP中的石墨微粒快照，使用高速相机拍摄（右）。（C）石墨颗粒轨迹（左上方）。石墨颗粒的光学显微镜图像，以及随着加工时间的变化粒径的图示（右上方）。由于内筒转速（底部）的变化而导致的平均石墨颗粒速度。（D）离心后石墨烯/ NMP分散体的处理时间从左到右增加（上图）。各种操作速度下石墨烯的浓度与处理时间的关系（下图）。（E）利用装置流体动力学缩放石墨烯生产。（B）至（E）中的C i = 10 gl -1。

图2. 采用旋盘流法生产石墨烯。 (A)液体剥离系统示意图。(B)实验装置图像(顶部)和高速图像显示剥离条件下产生的界面波(底部)。(C)应变速率和颗粒停留时间随操作速度的变化。(D)不同操作速度下石墨烯的浓度。(E)利用设备流体动力学对石墨烯生产进行规模化。

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实时监控

这项研究的结果证明了一种可以大规模生产高质量石墨烯的新技术，该技术允许实时监控。

这种“实时”的方法将使制造商能够控制生产的2D纳米材料中的原子层数，使他们能够实时监控质量和生产速度。

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更绿色的未来

伦敦帝国理工学院的Camille Petit博士解释说，这项研究代表了朝着绿色未来的重要发展：“石墨烯等纳米材料在支持向绿色能源供应的过渡中也将至关重要，因为它们可用于生产电子设备、光伏电池和电池的组件，它们本身必须以可持续的方式生产。

“这项研究表明，在不影响质量的前提下，如何使用可持续的溶剂生产2D材料，从而替代使用的更传统的有毒化学物质。”

石墨烯通常是使用溶剂生产的，用到许多污染大毒性强的强酸类，这项研究中的新技术展示了使用绿色溶剂的成功。

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参考来源：imperial.ac.uk

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