石墨烯高效制备：3D打印各种形状石墨烯气凝胶
博科园凤凰号2018/01/17 07:28:59
提起石墨烯，最出名的大概就是2010年两位科学家凭借对石墨烯的深入研究，分享诺贝尔物理学奖。复旦大学近日传出消息，该校与新加坡国立大学研究人员合作研发，寻找到全新的石墨烯高效率制备，这一技术核心将非常容易“放大”到产业。
与传统的发表论文、企业合作路径不同，课题组完全反着来——2013年创新成果，2014年申请专利，2015年专利转让给国内一家企业后，才在线发表于《Nature Communications》。课题组负责人之一，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌说：“好东西要放一放，沉淀一下可能更好。”
成为创新产品功能性添加剂
石墨烯不仅因诺贝尔奖而广为人知，它早已与生活息息相关。本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。因其完美的二维结构，石墨烯已成为许多创新产品的功能性添加剂。比如将其加入特殊高分子涂料后，可凭借隔绝性能，延长涂料涂装寿命；　加入电池做导电剂，可让电子传输更便利，提升充电速度；加入一些纤维和电热装置，其特殊的导电、导热性能，可让产品性能提升一个台阶。
如此有用的东西，其更好的制备方法也成为学界和产业共同竞逐的目标。英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现，他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二，重复操作让薄片越来越薄，最后他们得到仅由一层碳原子构成的薄片，就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。
解决石墨烯规模化应用难题
对于石墨烯，卢红斌给出三个“最”的评价：现有材料中厚度最薄，仅0.335纳米；强度最高，是钢的100倍；导热性最好，比金属银还高10倍以上，此外其电子迁移率极高，比硅还高2个数量级。这种新型二维材料，在智能装备、航空航天、能源储存和环境治理等诸多领域应用潜力巨大，是重要的战略新兴材料。
但如何实现高质量石墨烯的高效率、规模化制备，一直是制约其大规模应用的关键难题。其实，石墨烯是天然存在于自然界中的，制备的理想解决方案是从天然鳞片石墨出发，将其在特定溶剂液相中剥离成石墨烯。换句话说，由于石墨烯是疏水的，需在剥离的环境液体中加入大量活性剂，否则难以剥离。常见做法，往往制备1吨石墨烯，需加入3吨高锰酸钾等氧化剂，让其变为氧化石墨烯，剥离后再还原，这一过程中氧化、还原，以及清洗产生的废水不少，而且也让石墨烯失去了一些特有的性质。
如何克服这些难题？该课题组研究人员采用一种非稳定分散的策略，通过在石墨烯表面引入极少量的可电离含氧官能团，实现在极高浓度下的快速、高产率剥离，剥离产物90%以上为单层石墨烯，且晶格缺陷少，有效解决了石墨烯规模化应用中的储存和运输难题。此外，该方法制备的石墨烯水相浆料表现出了良好的流变特性，可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶，从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。（上海科技）