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石墨烯,如何实现大规模生产?

21-07-2020 Bronkhorst

“石墨烯旗舰项目”源于欧洲委员会。该项目旨在2020年之前将石墨烯应用商业化,即从实验室到消费者市场。

什么是石墨烯?
石墨烯可细分为三种类型:单层、双层和多层:
  • 单层石墨烯最为纯净,并独具特色。这些特性使(单层)石墨烯可被广泛应用并极具吸引力。
  • 双层和多层石墨烯具有它性(不定性)特征。层数增加,生产成本越低。
石墨烯生产与质量流量测控

本文只涉及单层石墨烯,截至目前,该类型的研究结果最佳。

石墨烯是当今第一种仅由单一碳层原子构成的二维材料;与钻石和铅笔中采用相同的材料。石墨烯中的碳原子以六边形排列并具有以下特性:

  • 硬度比钢高200倍
  • 比头发丝薄1000000倍
  • 当今最轻的材料(1平方米重约0,77毫克)
  • 灵活
  • 透明
  • 分子难以穿透
  • 导电和导热性能极佳
石墨烯还可与其他材料(如气体和金属)结合,产生具有上述特性的新材料或改善现有材料。

目前尚无方法可用于大规模生产石墨烯,且成本不可控。然而,这项研究的脚步从未停止。

石墨烯生产与流量控制
Model structure graphene_558
增强等离子的化学气相沉积(PE-CVD)
目前有几种方法可以生产石墨烯。单层石墨烯生产中最常用的方法之一是增强等离子的化学气相沉积(PE-CVD)。加热气体混合物-至少一种气体含有碳-加热形成等离子。质量流量计和控制器用于CVD工艺,以精准地配给气体和液体。

PE-CVD工艺中,等离子在镍或铜基底上形成石墨烯分层。真空中加热,但也可使用更环保的CVD工艺,即在大气压下加热。通过化学气相沉积,可以生产大片石墨烯。

某些前导体是要蒸发的液体并以气态形式用于CVD工艺。以准确的比例和精度建立等离子非常重要,使用高精度流量仪表可以实现。等离子的偏差会导致石墨烯层瑕疵。瑕疵可能是2D结构的杂质并改变材料的独特属性。

采用大气压等离子技术研发高品质石墨烯
驻西班牙的分销商Iberfluid Instruments S.A最近与科尔多瓦大学合作开展一项研究,寻求在大气压下使用等离子技术研究大规模生产石墨烯的可能。研发设备采用Bronkhorst蒸发系统(CEM系统)蒸发乙醇形成等离子。通过蒸发系统,液体直接蒸发,为等离子提供可用的气源。该蒸发系统的一种配置是CEM、液体乙醇流量计(即mini CORI-FLOW系列的科氏质量流量计)、氩气载气流量控制器(EL-FLOW质量流量控制器)和温控阀或混合阀。

系统具有卓越的稳定性和准确性。这些特性保证了等离子的可靠产生,最终生产出更高品质的石墨烯。

在文献“由微波氩等离子分解乙醇产生可伸缩的石墨烯”中,阐述了科尔多瓦大学(ES)在PE-CVD石墨烯生产工艺中选择Bronkhorst控制蒸发混合系统的原因。

科尔多瓦大学研究所用的Bronkhorst CEM系统
科尔多瓦大学研究所用的Bronkhorst CEM系统
石墨烯应用领域
因其许多独特的属性,石墨烯研究在众多领域得以应用,以单层和双层石墨烯为主。目前看来,单层石墨烯的效能依旧最佳。同时也需考虑采用薄片。这些薄片是石墨烯的微小碎片,能与其它材料混合,譬如聚合物。添加石墨烯薄片能够改善这些材料的特性,石墨烯因此广泛应用于不同的行业。如下是单层石墨烯应用的一些例子:
  1. 水净化:科学家们正在研发基于氧化石墨烯的高级过滤系统,将污水净化为饮用水。
  2. 医疗行业:石墨烯对人体无毒,相关的研究将药物附着在石墨烯上并在体内输送药物的可能性。石墨烯还能防止细菌的形成,它是植入物涂层的理想选择。
  3. 能源行业:表面积大,导电性能极佳,使得石墨烯能用于储能。目标是使石墨烯电池更紧凑并增强电池快充的能力,实现秒充。
  4. 纺织行业:石墨烯能够处理纺织品中的电子产品,例如有效而高效且高精度的传感器。此外,能够制造石墨烯防腐涂层和导电油墨。
  5. 半导体行业:归功于良好的导电和导热性,石墨烯有望提高(计算机和智能手机)芯片的速度和容量。
我们将继续密切关注石墨烯的研发并即时分享给大家。
 
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