石墨烯，如何实现大规模生产？

2020年7月21日 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。

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。

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：

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。
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。
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。
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。
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。