【写作竞赛】三维纳米石墨烯:新型的碳材料

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。因具有异常的机械性能(最薄却最坚硬的纳米材料)、光学性能(几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光)、热力学性能(导热系数高达5300 W/m·K)、电学性能(常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s;电阻率约10-6Ω·cm)、以及异常的量子霍尔效应得到广泛的研究,应用领域包括:单分子气体侦测、集成电路、石墨烯晶体管、透明导电电极、导热材料/热界面材料、场发射源及其真空电子器件、锂离子电池、超级电容器、海水淡化、太阳能电池、生物器件、抗菌物质等。

目前石墨烯的合成主要有两种方法:化学剥离法和CVD气相沉积法。然而,两种方法各有优缺点,前一种方法产率高但石墨烯的质量低,石墨烯的尺寸不可控,后一种方法是石墨烯的质量高但产率极低,很难大规模应用,针对此问题美国劳伦斯国家实验室Juergen Biener博士及其合作者开发了一种既能保持石墨烯的高质量又能大量制备的成本低廉的新工艺。新方法被称为“Top Down”策略,以块体的酚醛树脂高分子为起始原料,经碳化后转化为碳泡沫,块体的碳泡沫经二氧化碳巧妙地处理即可转变为宏观的三维块体石墨烯材料。此新型石墨烯以块体形式存在,外观尺寸达到厘米级,但内部微观结构却是由石墨烯纳米片构成的三维多孔网络结构,比表面积达3000 m2/g, 超过了石墨烯比表面积的理论值(2630 m2/g)。 尽管具有超高的比表面积但其密度仍然高达200 kg/m3,这使得此材料具有很好的机械性能,例如纳米机械性能测试结果显示它的模量在300-1000 MPa之间,迈氏硬度在20-100 MPa之间。让人吃惊的是,对于这种表面原子几乎是百分之百的材料,其承重能力达到200 kg/cm2

新型石墨烯材料所具有的结构特点将在能源存储领域发挥出独特的优势,是一种新型的碳材料。同时,新工艺充分利用了二氧化碳与碳之间的反应(C+CO2=2CO),把碳泡沫中具有较高活性的非晶碳反应掉同时腐蚀掉多层石墨片上的部分碳原子使其变为单层。此方法提供了一种由普通碳转变为石墨烯的新方法,简单高效,有利于大规模的应用,为石墨烯的产业化发展提供了新思路。