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熔融铜催化气泡化学气相沉积法连续生产石墨纳米片

期刊:Chemistry of MaterialsDOI:10.1021/acs.chemmater.7b02958

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本研究的主要作者包括Yongliang Tang、Peng Peng、Shuangyue Wang、Zhihong Liu、Xiaotao Zu和Qingkai Yu。他们分别来自中国电子科技大学基础与前沿科学研究所、美国德克萨斯州立大学工程学院和材料科学与工程中心,以及中国江苏常州二维碳科技股份有限公司和江南石墨烯研究院。该研究于2017年9月11日发表在《Chemistry of Materials》期刊上。

研究的学术背景主要围绕石墨烯的大规模生产及其应用。石墨烯作为一种具有优异电学、热学和力学性能的二维材料,自2004年被首次分离以来,其应用潜力受到了广泛关注。然而,石墨烯的大规模生产一直是其应用的瓶颈之一。目前,石墨烯的生产主要通过两种方法:一种是基于石墨粉末的氧化、剥离和还原过程,称为还原氧化石墨烯(rGO);另一种是化学气相沉积法(CVD)。rGO虽然可以实现大规模生产,但其缺陷密度较高,性能显著低于CVD法制备的石墨烯。CVD法虽然可以制备高质量的石墨烯,但其产量较低,限制了其广泛应用。因此,本研究旨在开发一种新型的化学气相沉积法——气泡化学气相沉积法(bubbling chemical vapor deposition, B-CVD),以实现高质量石墨烯纳米片(graphite nanosheets, GNS)的大规模连续生产。

研究的工作流程主要包括以下几个步骤:首先,研究团队设计并搭建了两套B-CVD生长系统,分别使用3升和215毫升的石墨坩埚,通过感应加热将铜熔化,并在熔融铜中插入气化器以产生含有前驱体气体(甲烷或天然气)的气泡。气泡在熔融铜中上升并破裂,石墨烯纳米片在气泡表面生长并被携带到铜表面。随后,研究团队对生长的石墨烯纳米片进行了纯化处理,通过物理分离和化学蚀刻去除铜颗粒,并使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱等表征手段对石墨烯纳米片的形貌、结构和质量进行了详细分析。此外,研究团队还制备了石墨烯纳米片/聚氨酯(GN/PU)复合材料,并测试了其电导率和电磁干扰屏蔽性能(EMI SE)。最后,研究团队还测试了石墨烯纳米片对油类和有机溶剂的吸附性能。

研究的主要结果包括:B-CVD法可以在熔融铜中实现石墨烯纳米片的连续生长,生产速率高达9.4克/小时。石墨烯纳米片的厚度从几层到40层不等,且具有高质量和良好的导电性。拉曼光谱显示,石墨烯纳米片的缺陷密度较低(ID/IG比约为0.2),且其褶皱特征有助于防止其重新堆叠。GN/PU复合材料的电导率可达20 S/cm,其电磁干扰屏蔽性能在X波段(8-12 GHz)超过70 dB,优于大多数以碳为填料的导电聚合物,且与金属填充聚合物相当。此外,石墨烯纳米片对油类和有机溶剂的吸附能力优异,吸附容量可达其自身重量的85至165倍,且通过简单的加热处理即可实现吸附物的去除和石墨烯纳米片的重复使用。

研究的结论是,B-CVD法是一种高效、环保且低成本的大规模生产高质量石墨烯纳米片的方法。该方法不仅能够实现石墨烯纳米片的连续生长,还为其在复合材料、电磁干扰屏蔽和油类吸附等领域的应用提供了新的可能性。特别是,石墨烯纳米片的褶皱特征使其在防止重新堆叠方面具有显著优势,进一步拓展了其应用范围。

本研究的亮点在于:首先,B-CVD法是一种新颖的石墨烯纳米片生产方法,通过气泡在熔融铜中的连续生成和破裂,实现了石墨烯纳米片的高效连续生长。其次,该方法使用的化学物质极少,且可以使用天然气作为前驱体,具有环保和低成本的优势。最后,石墨烯纳米片在复合材料、电磁干扰屏蔽和油类吸附等方面的优异性能,展示了其广泛的应用潜力。

此外,研究团队还通过一系列实验验证了B-CVD法的生长机制,提出了石墨烯纳米片在气泡表面和熔融铜顶部表面两种生长模式,并通过分离坩埚实验进一步证实了气泡表面是石墨烯纳米片的主要生长位点。这些实验结果不仅为B-CVD法的优化提供了理论依据,也为其他二维材料粉末的制备提供了新的思路。

本研究通过开发B-CVD法,成功实现了高质量石墨烯纳米片的大规模连续生产,并展示了其在多个应用领域的优异性能,具有重要的科学价值和应用前景。

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