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電子科技大學博士生：一招將“黑色黃金”變成“白菜價”

2018-01-24 10:09:40 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科學報分享至：

唐永亮

“把甲烷導入熔融的銅液中形成氣泡，甲烷在氣泡表面分解為碳原子，碳原子在氣泡表面組裝為石墨烯，而后隨氣泡到達熔融銅表面，并飛到收集器中。隨著氣泡不斷產(chǎn)生，高質(zhì)量的石墨烯便會不斷生長出來。”

沒錯，從現(xiàn)在起，制備石墨烯就是這么簡單：從裝置的一端通入常見且廉價的天然氣，在裝置的另一端就會源源不斷地產(chǎn)生出高質(zhì)量的“黑色黃金”石墨烯。這就是電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院2013級博士生唐永亮與美國得克薩斯州州立大學教授于慶凱共同提出的制備石墨烯的新方法。

近日，唐永亮在材料與化學科學領(lǐng)域頂級期刊《材料化學》上發(fā)表論文，對這一方法進行了系統(tǒng)的闡述。期刊審稿人認為，“該工作填補了傳統(tǒng)化學氣相沉積法（CVD法）和氧化還原法之間的空白，對石墨烯的實際應用將起到極大地推進作用，并且有望進一步地應用于其他高質(zhì)量二維材料的大量制備。”換句話說，這個新方法不僅能使石墨烯變成“白菜價”，還將為更多二維材料的大規(guī)模生產(chǎn)開辟新途徑。

在實驗室里，唐永亮通過這種方法，用十分簡單的小型裝置，一小時就可以生產(chǎn)出9克石墨烯。如果實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，用大型裝置進行生產(chǎn)，產(chǎn)出還會更大。毫無疑問，它為石墨烯的廣泛應用突破了一道瓶頸。

傳統(tǒng)制備方法難以兩全

自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，人們不斷研究發(fā)現(xiàn)它在電學、熱學、力學等方面的各種神奇性質(zhì)以及巨大應用前景，并嘗試用各種方法制備生產(chǎn)。但目前流行的制備方法各有優(yōu)劣，難以兩全：氣相沉積法質(zhì)量好而產(chǎn)量低，氧化還原法產(chǎn)量很高但質(zhì)量差。

唐永亮在開始研究時就確立目標，要找到一種既能保證產(chǎn)量又能保證質(zhì)量的方法。他認為，現(xiàn)在常用的大規(guī)模制備石墨烯的氧化還原法，會對石墨烯的“晶格”造成嚴重損壞，極大地影響石墨烯成品的質(zhì)量。因此，從一開始他就舍棄了“氧化還原法”這個研究路徑。

那么，氣相沉積法如何突破呢？唐永亮說，這種方法的原理是通過高溫含碳氣體分解形成碳原子沉積在金屬基體表面形成石墨烯，質(zhì)量很不錯，但是生成的第一層石墨烯會阻礙金屬對反應過程的催化作用，因而產(chǎn)量很低。問題的關(guān)鍵就在于怎么讓催化金屬和含碳氣體進行充分、持續(xù)的接觸。

唐永亮首先想到用液態(tài)金屬代替“氣相沉積法”中的固態(tài)金屬。2015年，他向?qū)熥嫘淌谇蠼蹋嫘浞挚隙ㄋ脑O(shè)想，并推薦他與美國得克薩斯州立大學教授于慶凱合作。

于慶凱是石墨烯生長領(lǐng)域的開拓者之一，最早提出并實踐了在銅表面用氣相沉積法生長石墨烯，在鎳箔上生長石墨烯的工作也被廣泛應用。而且，當時于慶凱那里有開展液態(tài)金屬相關(guān)的成套實驗設(shè)備。

巨大創(chuàng)新來自小小改動

在得克薩斯州立大學，唐永亮深入鉆研，一干就是一年半。他提出在液態(tài)金屬中“吹泡泡”的想法，得到了于慶凱的充分肯定。據(jù)他們了解，之前還從來沒有人這樣做過，唐永亮很可能是“第一個吃螃蟹的人”。

實驗效果如他所料，“在熔融金屬中發(fā)生反應，氣泡就會一直不斷地產(chǎn)生，一個新的氣泡就會形成一個新的沒有石墨烯的表面，不斷地產(chǎn)生氣泡，石墨烯就會不斷地產(chǎn)生出來，從而提高石墨烯的產(chǎn)量”。

為了尋找一種催化效果最好的金屬，唐永亮像愛迪生尋找鎢絲那樣在諸多種金屬材料中進行嘗試篩選。最開始用鎵和鎳做催化，發(fā)現(xiàn)長出來的東西都達不到預期。此后，他又花了三個月的時間，先后用銅、銅鎳合金等諸多金屬進行實驗，并對比這些不同種類的金屬催化劑生產(chǎn)石墨烯的厚度和質(zhì)量，最后發(fā)現(xiàn)銅的效果最好、產(chǎn)量最高，“石墨烯生長出來之后，就像漂浮在水面的一張油紙那樣漂在液態(tài)銅的表面”。

接踵而來的難題是，如何把這一層層漂浮的石墨烯收集起來呢？最容易想到的辦法，當然是用機械的方法撈出來。但這種辦法顯然是不便操作且效率低下的。百思不解之時，他偶與于慶凱教授交流，于慶凱說：“何不把它吹出來？”

“這是一個重要的提示！”唐永亮說，“石墨烯跟液態(tài)銅的浸潤性很差，它們倆是不會粘在一起的，如果通入氣體吹一下，漂浮在液態(tài)銅表面的石墨烯就會飛起來，我們只需要在裝置的尾端設(shè)置一個罐子收集就可以了。”

“傳統(tǒng)的氣相沉積法的產(chǎn)量很小，根本無法用克來計量，只能說面積有多少平方厘米，像手機這么大的一層石墨烯，可能都要幾百塊錢。”唐永亮說，“采用我的方法，石墨烯的制造成本跟氧化還原法差不多，1克只要幾塊錢，質(zhì)量比氧化還原法高得多。”

把石墨烯推向產(chǎn)業(yè)應用

經(jīng)過一年半的研究，唐永亮在2016年下半年探索出了一套相對成熟的石墨烯制備方法。他很快就撰寫了論文，對該方法進行梳理總結(jié)。由于這種方法史無前例，因此，唐永亮對這篇取得突破性進展的論文的成功發(fā)表滿懷信心。

2016年，他將論文投給《科學》和《自然》。但沒有料到，論文均被拒稿。《自然》的編輯高度肯定了他的這一創(chuàng)新制備方法，但也一針見血地指出這種方法的不足——相比于傳統(tǒng)的氣象沉積法，唐永亮的氣泡氣相法產(chǎn)出的石墨烯依然較厚。

雖然遭受挫折，但這一原創(chuàng)性成果瑕不掩瑜。隨后，唐永亮對自己的研究進行了優(yōu)化，并投稿給《材料化學》期刊，結(jié)果順利發(fā)表。現(xiàn)在，他正在努力解決如何通過“把氣泡打碎”和“調(diào)整氣體濃度”等方法，進一步優(yōu)化該方法的產(chǎn)出數(shù)量和質(zhì)量，期望在不久的將來再次向《科學》和《自然》進軍。

作為新材料中的“黑色黃金”，石墨烯在電子、導電油墨、防腐涂料、儲能設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域有著巨大的潛在市場等待挖掘。目前，唐永亮已經(jīng)與江蘇常州一家公司取得合作，該公司采用他的新方法之后，用中型設(shè)備可以每小時生產(chǎn)200克較高質(zhì)量的石墨烯。

“用不了多久，石墨烯將廣泛進入我們的生活，改變這個世界！”唐永亮說。

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責任編輯：殷鵬飛

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