金刚石、一氧化碳：这些都能“变”成石墨烯？

在此前的文章中，我们曾经聊过石墨烯这种材料在各领域里的不同应用；然而只是应用，似乎还不足以说明这种材料的前景，今天就先给大家看看过去的一年，全世界都在用石墨烯做什么：

01、无褶皱单层石墨烯

2021年8月，韩国基础科学研究所（IBS）研发出单晶大面积无褶皱无吸附层单层石墨烯。为了消除褶皱，研究团队基于自制铜镍箔，在1000K和1030K温度下利用化学气相沉积法（CVD），在氩气流中使用乙烯与氢气的混合物生长石墨烯，获得大面积、无褶皱、无吸附层的单晶石墨烯薄膜。这种均匀无褶皱的石墨烯可更快地携带电荷，比硅快七倍，比现有石墨烯快三倍，为制造半导体、显示器和太阳能电池产品等领域和行业的技术进步铺平道路。

（文章内容来源于网络）

02、防雷击石墨烯

2021年8月，全球先进材料集团Haydale宣布与空客公司共享一系列可防止雷击的石墨烯增强预浸料的知识产权，空客公司为该技术提交了联合专利申请。 与现有的碳/环氧树脂系统相比，功能化石墨烯/2D填料的加入有助于抗雷击性能显著的复合材料的迭代生产，从而减轻对铜网的需求。

03、石墨烯凝胶用来给飞机隔音

2021年6月，英国巴斯大学开发出每立方米仅重2.1千克的氧化石墨烯-聚乙烯醇气凝胶，其成为有史以来最轻的飞机隔音材料。在400-2500Hz范围内，平均吸声系数高达0.79，平均声传输损失可达15.8dB。气凝胶用作飞机发动机内的隔音材料，可将喷气发动机起飞时产生的105分贝轰鸣声降至类似吹风机的声音。研究人员将优化该材料，以提供更好的散热效果，提高燃油效率和安全性。该材料还可用于制造直升机或汽车发动机中的面板。

04、石墨烯电动车电池

2021年4月，石墨烯旗舰（Graphene Flagship）计划启动“用于汽车应用的石墨烯高能电池”（GrEEnBat）新项目，旨在改进电动汽车的电池技术。该项目为期三年，将创建由60到90个纯电动汽车电池组成的汽车电池模块原型。电池的负极是创新的核心，由早期石墨烯旗舰研究项目中开发的硅-石墨烯复合材料组成。结合获得专利的石墨烯制造技术，石墨烯旗舰工业合作伙伴将实现模块原型在1000次循环后容量保持80%，意味着总行驶里程可达45万公里。

05、石墨烯增强陶瓷基复合材料

2021年9月，美国Mag7 Technologies公司开发了由聚合物衍生的石墨烯增强陶瓷基复合材料，并已开始为其提供技术许可。这种陶瓷-石墨烯浆料适用于各种CMC应用，特别是在极高温情况下。石墨烯增强的CMC零件，如陶瓷制动器和螺栓，不仅耐热性好，而且结构完整性高，解决因磨损而需要经常更换的传统问题。

06、石墨烯“热开关”

2021年8月，美国普渡大学工程师开发出可压缩石墨烯泡沫制成的“热开关”，根据设备内外部温度进行动态调整，以保持一致的热管理。石墨烯泡沫由特定模式沉积的纳米级碳颗粒构成，中间有小空隙。当泡沫未压缩时，可充当绝缘体，气穴将热量保持在原位。但是当泡沫被物理压缩时，空气逸出，更多的热量通过泡沫传导出去。根据泡沫的压缩程度，可精确调整传热量。这种动态热管理形式的潜在应用不仅仅是手机，还可用于电动汽车电池、航天器和生物医学设备等。

07、新型传感器

202年6月，瑞士巴赛尔大学研究发现，均匀拉伸可以改变石墨烯的电子特性。 研究人员在两层氮化硼间放置一层石墨烯 ，随后使用楔子从下方向架子中心施力，以控制拉伸整个石墨烯层。 而后研究人员通过光学法校准石墨烯的拉伸，在-269 下使用电传输测量拉伸后的电子特性。 研究结果表明，均匀拉伸改变原子核之间的距离，从而改变石墨烯电子态的特性： 这项研究将促进新型传感器和晶体管的开发。

虽然石墨烯的可应用领域颇多，但可能你想不到的是，很多的石墨烯材料并非是天然存在的，而是通过其他材料合成或者催化而来，今天就为大家介绍一下，最近有哪些东西被科学家利用技术“变”成了石墨烯~

上海交大：

金刚石催化的石墨烯强度更高

近日，上海交通大学机械与动力工程学院沈彬、复旦大学化学系孙正宗的联合科研团队，展示了一种直接催化金刚石石墨化的方法，这种方法获得的石墨烯比传统石墨烯有更高的强度。相关成果4月22日在线发表于美国化学会的《材料化学》上。

金刚石和石墨烯是碳的同素异形体中研究最充分的。两者在机械、光学和电学性能方面都很优越，但很少以组合形式一起使用。此前人们已经报道了由范德沃尔斯力连接的石墨烯-金刚石异质结构。然而，通过共价键连接的石墨烯-金刚石杂化异质结构，在应对超硬材料加工和高功率金刚石电子学等高要求挑战方面，具有独特的优势。

（图片来源于网络，侵删）

在本研究中，联合团队展示了一种直接催化金刚石石墨化的方法。使用这种方法，具有共价键结合界面的同质石墨烯-金刚石异质结构，可以在金刚石所有表面上不加区分地生长。新合成的石墨烯片从金刚石晶格上无缝地延伸开来。进一步研究显示，这种独特的共价键原子结构，使新产生的石墨烯片产生了前所未有的界面结合强度，大大超过了传统石墨烯的固有强度。

一氧化碳合成石墨烯

近日，一个包括来自Skoltech、MIPT、RAS固体物理研究所和阿尔托大学研究人员的国际团队，提出了一种利用一氧化碳作为碳源的独特石墨烯合成技术。该技术被认为是一种快速且廉价的方法，可以用相对简单的设备生产高质量的石墨烯，用于电子电路、气体传感器、光学等领域。

（文章内容来源于网络）

化学气相沉积(CVD)是合成石墨烯最标准的技术之一，通常是将碳原子从气体分子中分离出来，并在真空室中作为单层沉积在基底上。一种流行的基材是铜，使用的气体总是碳氢化合物：甲烷、丙烷、乙炔、乙醇等。“从一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了，因为这种气体是生长单壁碳纳米管最方便的碳源之一。我们有近20年与一氧化碳有关的工作经验。然而，我们的第一次石墨烯实验并不成功，我们花了很长时间来理解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于它的完全催化分解，这使我们即使在环境压力下也能实现单层石墨烯大晶体的自限合成，”

这种新方法得益于所谓的自限原理：

在高温下，一氧化碳分子靠近铜基板时，容易分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一层结晶碳沉积下来，气体与基体分离，这种趋势就会减弱，所以这个过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以一种自我限制的方式运行，但程度较轻。

（图片来源于网络，侵删）

这种方法排除了燃烧风险，这意味着不需要真空。该仪器在标准压力下工作，比传统的CVD设备简单得多。反过来，简化的设计可以加快综合速度。Grebenko说：“从取出一块裸露的铜到取出石墨烯只需要30分钟。”

由于不再需要真空，设备不仅工作更快，而且更便宜。研究人员强调说：“一旦你放弃使用制造超高真空的高端硬件，你就可以花不到1000美元组装我们的‘车库解决方案’。”

该研究的合著者Boris Gorshunov是麻省理工学院的教授，他强调了这种材料的高质量：“无论何时提出一种新的石墨烯合成技术，研究人员都必须证明它生产了他们声称的东西。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的石墨烯确实是高级石墨烯，可以与其他气体CVD生产的材料相媲美。最终得到的材料是结晶的、纯净的，而且面积足够大，可以用于电子产品。”

并不是所有制造

都可以在非真空下进行

上面的这种一氧化碳制备石墨烯的方法，特意提出排除了燃烧风险，所以无需在真空环境下进行，但经常做实验的人，或者经常进行科技生产的人都知道，在化学、物理、生物、医学、电子、核能等领域的各行各业中，经常需要在特殊环境下进行操作：例如化学反应中，惰性气体保护下的无水、无氧操作；在生物、医学实验中，无菌、无尘等洁净环境下的操作；在无氧、惰性气体保护或核屏敞的条件下进行手工操作等等。

在这些情况下，人们通常采用操作箱，又称手套箱来营造这些特殊的环境。而现在市场上的部分手套箱，包括塑料手套袋和有机玻璃手套箱：塑料手套袋的成本低、换气方便，但因没有 固定形状，操作不方便。有机玻璃手套箱通常是用多块有机玻璃粘合而成的长方体，强度 低、气密性差，不能进行减压抽气置换气体的操作。现有手套箱的结构和操作性仍不能满足 工业化生产的需要，急需改进。

所以我们需要一种结构合理、操作性强的氮气保护手套箱。有益效果是由于箱体和载物台均为不锈钢结构，整个产品的强度增加，结构更加合理；箱体前侧面板上的各种仪表盘使得从箱外即可实施得知箱内的各项参数，操作性大大增强。

一台好的手套箱，可以满足以下的几种需求：同时整个手套箱中充满了氮气、氩气等惰性气体；通过真空泵抽干空气；水、氧<0.1ppm；泄漏率<0.001vol%/h以及一整套真空净化系统—所有的一切最终创造出一个安全的实验环境：应用于包括石墨烯制备在内的一系列科学实验及生产。

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