超臨界流體技術 石墨烯

背景介紹

由于其獨特的二維晶體結構和出色的力學、電學、熱學和光學特性，石墨烯成為材料領域研究的熱點。然而，要實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化應用，就必須解決大規(guī)模制備高質量石墨烯材料的難題。目前，石墨烯的制備方法主要包括機械剝離法、氧化還原法、碳化硅外延生長法和化學氣相沉積（CVD）法等。然而，這些方法都存在一些問題。機械剝離法的可控性較差，并且產量有限；氧化還原法容易引入其他元素的摻雜和結構缺陷，影響電導性；碳化硅外延生長法的原料價格昂貴，并且需要嚴苛的生長條件；CVD法則工藝復雜，生產成本較高。因此，如何以較低的成本和溫和的反應條件大規(guī)模制備高質量石墨烯一直是科學家們努力研究的方向。超臨界流體技術的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新思路。

何為超臨界流體？超臨界流體(supercritical fluids，SCF)具有類似氣體的擴散性質，其界面張力為零,容易實現(xiàn)石墨插層；具有類似液體的溶解能力。將高溫高壓下的超臨界流體插層到天然的鱗片狀石墨中，使石墨膨脹突破石墨層間的范德華力進而對石墨烯進行剝離、分散。超臨界流體剝離制備石墨烯法實現(xiàn)了對石墨烯層數(shù)的可控制備，且工藝簡單、成本低、設備要求不高，在大規(guī)模生產石墨烯具有極好的潛力。 常用的超臨界二氧化碳(scCO2)的臨界條件溫和(臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38MPa)，且CO2具有無毒、惰性、價廉以及與產物易于分離等優(yōu)點，在納米復合材料制備方面的應用非常廣泛，將其應用于直接剝離法制備石墨烯，避免了使用大量有機溶劑，且經過簡單的泄壓操作即可實現(xiàn)產物分離。后續(xù)操作較液相剝離法大大簡化，有望實現(xiàn)高質量石墨烯的量產化。

機理

超臨界流體（SCF）剝離石墨的原理以sc CO2（臨界溫度TC＝31.1℃，臨界壓力PC＝7.38MPa）為例介紹，如圖1所示。石墨是片層結構，可以看作是單層的石墨烯通過范德華力一層層堆疊而形成（圖1Ａ），超臨界流體的高分散性和強滲透能力使其易于進入石墨層間，形成插層結構（圖1Ｂ）；當快速泄壓時，sc CO2發(fā)生顯著膨脹，釋放大量能量克服石墨層間作用力（圖1Ｃ），得到單層或少層的石墨烯（圖1Ｄ）。這種方法操作簡單，條件容易實現(xiàn)，制備過程中未使用強酸強堿，綠色環(huán)保。

圖1 sc CO2剝離石墨原理圖

小結

超臨界流體技術作為一種新興的石墨烯制備技術，具有很大的潛力和應用前景。通過利用超臨界流體的特殊性質，可以實現(xiàn)高純度、高質量和可控性的石墨烯制備。此外，超臨界流體技術還可以應用于石墨烯的功能化修飾和納米材料的合成。盡管仍然存在一些挑戰(zhàn)，但超臨界流體技術的發(fā)展前景依然廣闊，有望為石墨烯材料在各個領域的應用提供更多可能性。