Ultrafast, Low-Cost, and Mass Production of High-Quality Graphene

超快速、低成本、高质量石墨烯的大规模生产

第一作者: Zhuxing Sun (孙竹行)

通讯作者: Yun Hang Hu* (胡云航)

Department of Materials Science and Engineering, Michigan Technological University

密歇根理工大学材料科学与工程系

DOI: 10.1002/anie.202002256

PDF原文

期刊: Angewandte Chemie International Edition

发表年份: 2020

论文亮点

开发了闪速焦耳加热(FJH)新技术，可在1秒内将各种含碳材料转化为高质量石墨烯
实现了极低能耗(7.2 kJ/g)和低成本的大规模石墨烯生产，具有工业化应用潜力

研究背景

石墨烯具有优异的性能，但其实际应用受到制备成本高、产量低的限制
现有的石墨烯制备方法(如氧化还原法和化学气相沉积法)存在诸多局限性：工艺复杂、能耗高、产量低、可能产生环境污染
迫切需要开发一种快速、低成本、可规模化生产高质量石墨烯的新方法

研究方法

本研究采用闪速焦耳加热(Flash Joule Heating, FJH)技术制备高质量石墨烯：

将具有一定导电性的碳源材料压缩放置在石英或陶瓷管中的两个电极之间
施加高电压(>90V)电击，使碳源局部温度瞬间升高至3000K以上
经过快速冷却过程，形成闪速石墨烯(FG)
系统研究了不同碳源(碳黑、无烟煤、煅烧焦炭、咖啡渣等)的转化效果
通过高分辨透射电镜(HR-TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)等手段对产物进行表征
评估了FG在水泥复合材料中的增强效果

主要结论

FJH技术成功制备出高质量石墨烯，具有极高的结晶度和极少的缺陷
该工艺能耗极低(7.2 kJ/g)，转化效率高(80-90%)，且具有良好的可扩展性
多种碳源(包括废弃物)均可用于FG生产，为废物利用和减少温室气体排放提供了新途径

图1: FJH过程示意图及FG表征结果

图1. a) FJH过程示意图，以及闪蒸过程中温升与时间的关系图(插图)。b-d) 碳黑形成的FG在咖啡衍生单层FG上的HR-TEM图像。e) 四种不同碳源衍生的FG的表征结果，包括拉曼光谱(显示最佳和平均获得的光谱)、XRD光谱和TEM图像。

分析结果：

从表征结果可以看出，通过FJH技术制备的FG具有极高的质量：

拉曼光谱显示I2D/IG比值超过10(最高达17)，D峰强度极低，表明FG结晶度高、缺陷少
XRD图谱在26°附近出现尖锐且不对称的峰，对应3.45Å的层间距，比石墨(3.37Å)更大，这使得FG易于剥离
HR-TEM图像直观展示了FG的涡轮层状结构和六方晶格特征

图2: FG分散性及应用性能

图2. a) FG在水-普朗尼克(F-127)溶液(1%)中的分散情况。插图照片显示了离心后CB-FG(4g/l)和商业样品(10g/l)的上清液。b) FG在各种有机溶剂中的分散情况(5g/l)。c) 与FG复合的水泥的机械性能。误差棒代表一个标准误差(n=3)。d) 用于合成FG的不同尺寸和形状的FJH石英管。

分析结果：

FG展现出优异的性能和应用潜力：

FG在水/表面活性剂和多种有机溶剂中均表现出良好的分散性，优于商业石墨烯样品
FG作为水泥复合材料添加剂，显著提高了水泥的机械性能
不同尺寸和形状的FJH石英管表明该工艺具有良好的可扩展性，适合大规模生产
FJH过程能量集中，能量损失极小，石英管外壁温度低于60°C，安全可靠