Глава 466. Поразительный способ изготовления •
Промышленное массовое производство графена в настоящее время не является сложной задачей.
Метод восстановления оксида графита, метод микромеханического отслаивания, метод химического осаждения из паровой фазы, метод эпитаксиального роста и другие методы уже позволяют достичь определенной степени массового производства.
Но графен, полученный этими методами, с одной стороны, имеет низкое качество, а с другой стороны, имеет высокую степень загрязнения.
Например, при использовании метода восстановления оксида графита полученный графен необходимо восстанавливать при высокой температуре, и в этом процессе неполное восстановление приводит к сосуществованию графена и оксида графита, а также к примесям других веществ в графене.
А если использовать для восстановления вакуумную печь, то стоимость слишком высока.
Это приводит к тому, что этот метод в настоящее время позволяет производить только низкокачественный графен.
И этот тип графена практически не может использоваться в высокопроизводительных электронных устройствах, хранении энергии, медицине и других областях. Как правило, этот тип графена с примесями и загрязнениями в основном используется в строительстве, адсорбентах, опреснении морской воды, композитных материалах и других базовых областях.
Но спрос на графен в этих областях на самом деле невелик, ведь графен, даже если он самого низкого качества, все равно остается графеном, и его цена намного выше, чем у технологий и материалов, используемых в исходной отрасли.
Высококачественный графен - это область с большим спросом.
Будь то электронные устройства, светочувствительные элементы или аэрокосмическая промышленность и другие области, нехватка высококачественного графена существует всегда.
Но промышленное массовое производство высококачественного графена - это чрезвычайно сложная область.
Ничего не поделаешь, процесс производства высококачественного графена слишком сложен.
Во-первых, для производства высококачественного графена необходимо сначала изготовить высококачественный однослойный графен.
А высококачественный однослойный графен в настоящее время почти всегда ограничен размерами камеры CVD-оборудования, и существующие CVD-методы не позволяют осуществлять непрерывное производство однослойного графена.
Хотя в этой области некая страна, которая уже начала тайком сбрасывать ядерные отходы в океан, продемонстрировала "так называемый" графен длиной 100 метров, но поверхность материала имеет много дыр, и он совершенно непригоден для использования.
И проблемы непрерывной технологии производства CVD-графена и выхода годной продукции в настоящее время еще не решены.
Во-вторых, метод переноса высококачественного графена - это очень сложная проблема, обычный метод переноса с помощью мокрого травления часто приводит к складкам, примесям, повреждениям и другим проблемам, что затрудняет массовый перенос.
И, наконец, сочетание первых двух.
То есть реализация непрерывного производства и переноса CVD-графена, их сопряжение и формирование автоматизированной технологии производства.
Когда первые две трудности не решены, производство высококачественного графена, можно сказать, не имеет перспектив.
На самом деле, оценить новую технологию, особенно технологию материаловедения, само по себе очень непросто.
Для этого требуется много сопутствующих условий.
На самом деле, многие результаты научных исследований в области материаловедения требуют, чтобы половина усилий была направлена на последующие чисто прикладные испытания.
А эта работа требует больших вложений, и без достаточной финансовой поддержки и поддержки со стороны downstream-приложений она практически не имеет шансов.
Хотя у графена есть поддержка со стороны downstream-производителей, но его производство и применение - это очень сложная проблема.
Поэтому Сюй Чуань и заинтересовался разработанным Научно-исследовательским институтом материалов Чуаньхай способом массового производства высококачественного графена.
"Пойдем ко мне в кабинет, здесь эксперимент закончится только около трех часов дня, но соответствующие способы и этапы производства я вчера в общих чертах 정리ровал."
Фань Пэнъюэ снял лабораторные перчатки и повел Сюй Чуаня в свой кабинет.
Включив компьютер и разблокировав его, он вызвал из компьютера документ с данными, открыл его и сказал: "Данные еще не успели распечатать, пока посмотри на компьютере."
Сюй Чуань не возражал, занял место и внимательно просмотрел данные перед собой.
Судя по данным, этот способ изготовления высококачественного графена был разработан на основе случайно обнаруженного во второй половине 2019 года способа извлечения графита из отработанных батарей LIBS и изготовления графена.
В 2019 году исследователь по имени Янь Лю из лаборатории литий-серных батарей института, пытаясь дополнительно оптимизировать литиевые батареи, использовал гидрат гидразина, расплавленный гидроксид соли, отработанную алюминиевую фольгу токосъемника положительного электрода и другие материалы в качестве восстановителей, пытаясь модифицировать положительный электрод LiFePO4, чтобы улучшить электрохимические характеристики и стабильность цикла литиевых батарей.
Но ожидаемая оптимизация не была достигнута, однако, к удивлению, при проверке продуктов неудачного эксперимента Янь Лю обнаружил слой углеродной пленки, прикрепленный к отрицательному электроду.
После проверки было установлено, что это слой графеновой пленки высокой чистоты.
Этот новый способ химического синтеза заключается в том, что графитовый отрицательный электрод после электрохимического цикла подвергается химическому окислению, в результате чего получается равномерно диспергированный оксид графена.
Затем, за счет использования окислителя и восстановителя, оксид графена восстанавливается до графена.
Графен, синтезированный этим способом, имеет высокую чистоту, он относительно чист и не загрязнен.
Конечно, у него есть и недостатки.
Кроме того, перенос графена - тоже чрезвычайно сложная задача.
Недостатков немало, но это все равно очень перспективное направление. Этот случай привлек внимание Сюй Чуаня еще тогда, но в то время он был занят проектом управляемого ядерного синтеза и не мог выкроить время для углубленного изучения, поэтому ему пришлось передать это дело самому Научно-исследовательскому институту материалов Чуаньхай.
За прошедшие полтора года, в сочетании с вычислительной моделью материалов института, этот способ синтеза графеновой пленки высокой чистоты значительно улучшился.
Как известно, сложность синтеза высококачественного графена заключается в трех моментах.
От непрерывного синтеза высокочистого одноатомного слоя графена до переноса пленки и непрерывного промышленного производства - все это чрезвычайно сложно.
И после полутора лет исследований лаборатория материалов усовершенствовала этот новый способ электрохимического синтеза.
Во-первых, это дальнейшая оптимизация чистоты графена, используемого в качестве материала отрицательного электрода оригинальной батареи LiFePO4.
Использование высокочистого синтетического графита с чистотой более 99,999% для замены исходного графитового материала отрицательного электрода батареи.
Ведь хотя в отрицательном электроде батареи LiFePO4 используется графит, но для повышения производительности батареи это не высокочистый графит, а с примесями.
И хотя количество этих примесей невелико, они также влияют на качество графена в процессе синтеза графена.
Конечно, это не главное.
Ключевая проблема этого способа электрохимического синтеза графена заключается в необходимости окисления-восстановления и переноса синтезированного графена.
Последнее еще можно решить, будь то внешний микроволновый перенос или метод жидкофазного отслаивания, но эффективность невысока, и возникают такие проблемы, как брак.
А первое, восстановление оксида графена, всегда было проблемой для промышленности.
Хотя существует множество вариантов восстановителей оксида графена, от гидразина и производных гидразина до гидридов металлов, таких как боргидрид натрия, сильных кислот, сильных щелочей, спиртов, фенолов, витамина С, восстанавливающих веществ (глюкоза, хитозан и т.д.) - все они могут быть использованы.
Но у каждого из них есть свои недостатки.
Например, использование некоторых кислот для восстановления графена приводит к агрегации и накоплению однослойной структуры графена из-за π-π взаимодействия, что приводит к уменьшению удельной площади поверхности, увеличению сопротивления, значительному снижению производительности и другим проблемам.
Тем самым ограничивая перспективы его применения.
Или использование гидразина или производных гидразина для восстановления, хотя и решает проблему агрегации продукта, но также приводит к введению связей C-N в восстановленный графен, вызывая загрязнение.
И используемый гидрат гидразина очень токсичен и не подходит для использования в крупномасштабном производстве, промышленности и биомедицине.
Поэтому Сюй Чуаню было очень любопытно, как именно Научно-исследовательский институт материалов Чуаньхай решил эту проблему.
Продолжая читать документ, Сюй Чуань увидел в разделе, посвященном методам восстановления оксида графена, способ восстановления оксида графена, используемый Научно-исследовательским институтом материалов Чуаньхай.
"...Используя различные методы сборки пленки, оксид графена модифицируется на определенной электродной подложке, чтобы получить электрод, модифицированный оксидом графена, а затем этот модифицированный электрод используется в качестве рабочего электрода в классической трехэлектродной электролитической системе в определенном растворе электролита для проведения электролитической реакции, тем самым осуществляя восстановление пленки оксида графена."
"Метод электрохимического восстановления?"
Увидев этот способ, Сюй Чуань на мгновение опешил.
Он думал, что лаборатория нашла новый тип восстановителя, но не ожидал, что они напрямую обойдутся без восстановителя, используя альтернативный электрохимический метод.
【После ультразвуковой обработки оксида графена в деионизированной воде в течение 1 часа, он наносится на проводящую стеклянную подложку, и с помощью расширенной циклической вольтамперометрии (CV, -1,0 ~ 1,0 В, относительно обратимого водородного электрода) в растворе Na2SO4 0,1 моль/л с Hg/Hg2SO4 и Pt-электродами в качестве электрода сравнения и электрода сравнения в стандартной трехэлектродной ячейке происходит электрохимическая реакция для восстановления оксида графена.】
【Степень восстановления оксида графена определяется и контролируется с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) для измерения пика восстановления при -0,75 В и значения удельной емкости.】
【Далее, в сочетании с методом электрохимического осаждения, оксид графена наносится на проводящую стеклянную подложку, а затем в паре со стеклоуглеродным электродом в растворе 0,1 моль/л при сканировании с интенсивностью 0 ~ -0,1 В можно получить пленку, расположенную на подложке.】
【...】
Данные не очень подробные, в них нет даже электронно-микроскопических структурных диаграмм, но Сюй Чуаню достаточно понять, как именно они это сделали.
Надо сказать, что это очень оригинальный и гениальный способ.
В настоящее время в области материалов восстановление оксида графена и получение графена всегда рассматриваются с точки зрения использования восстановителей или катализаторов.
Хотя уже исследуются такие методы, как микроволновое восстановление, гидротермальное восстановление, каталитическое восстановление и т.д., но на самом деле они не выходят за рамки ограничений восстановителей и катализаторов.
А этот метод электрохимического восстановления напрямую обходит влияние восстановителей и катализаторов.
Не говоря уже о его эффективности, но без добавок в виде восстановителей и катализаторов чистота восстановленного графена, несомненно, очень высока.
Ведь в процессе восстановления на него уже не влияют другие посторонние добавки.
Конец месяца, господа, проголосуйте своими лунными билетами! ~o(=nwn=)m Мяу!
Спасибо читателю dp за непрерывные вознаграждения, спасибо Цао Мяньцзы за вознаграждение в 1500 баллов, спасибо Шунь Ци Цзыжань 2023 за вознаграждение в 1500 баллов, спасибо Синкун Майкл за вознаграждение в 100 баллов, спасибо Тан Момин за вознаграждение в 100 баллов, спасибо всем, мяу (‵▽′)ψ