¿Cuál es mejor, el grafeno redox o el grafeno de exfoliación mecánica?
El auge de la investigación del grafeno también ha atraído el interés de la investigación de la vegetación material en el país y en el extranjero. Se han informado métodos de preparación de materiales de grafeno: método de exfoliación mecánica, método de oxidación química, método de crecimiento epitaxial de cristales y método químico. método de deposición de vapor, método de síntesis orgánica y método de exfoliación de nanotubos de carbono, etc.
1. Método de exfoliación micromecánica
En 2004, Geim et al. utilizaron el método de exfoliación micromecánica por primera vez para despegar y observar con éxito el grafito pirolítico altamente orientado en una sola capa. grafeno. El equipo de investigación de Geim utilizó este método para preparar con éxito grafeno cuasi bidimensional y observó su morfología, revelando la razón de la existencia de la estructura cristalina bidimensional del grafeno. El método de exfoliación micromecánica puede preparar grafeno de alta calidad, pero tiene las desventajas de bajo rendimiento y alto costo. No cumple con los requisitos de industrialización y producción a gran escala. Solo se puede utilizar para preparación a pequeña escala en laboratorios.
2. Método de deposición química de vapor
Por primera vez, la deposición química de vapor (CVD) ha logrado un nuevo avance en el problema de la preparación de grafeno a gran escala (consulte Química). Deposición de vapor) Preparación de grafeno de alta calidad mediante método de deposición). El método CVD se refiere a una tecnología de proceso en la que sustancias reactivas experimentan reacciones químicas en condiciones gaseosas para generar sustancias sólidas que se depositan en la superficie de un sustrato sólido calentado, produciendo así materiales sólidos.
Kong et al. del MIT, Hong et al. de la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur y Chen et al. de la Universidad Purdue están utilizando el método CVD para preparar grafeno. Utilizaron un horno de deposición tubular simple con níquel como sustrato e introdujeron gases que contienen carbono, como hidrocarburos, que se descomponen en átomos de carbono a altas temperaturas y se depositan en la superficie del níquel para formar grafeno. escamas de níquel para obtener una película de grafeno. La conductividad de esta película puede alcanzar 1,1×106S/m cuando la transmitancia de luz es del 80%, lo que la convierte en un sustituto potencial de las películas conductoras transparentes actuales. Se puede preparar grafeno de gran superficie y alta calidad mediante el método CVD, pero el material de sustrato ideal, el níquel monocristalino, es demasiado caro, lo que puede ser un factor importante que afecte a la producción industrial de grafeno. El método CVD puede cumplir con los requisitos para la preparación a gran escala de grafeno de alta calidad, pero el costo es alto y el proceso complicado.
3. Método de oxidación-reducción
El método de oxidación-reducción es barato y fácil de implementar. Se ha convertido en el mejor método para preparar grafeno y puede preparar una suspensión de grafeno estable. El problema de que el grafeno no es fácil de dispersar. El método de oxidación-reducción se refiere a la reacción del grafito natural con un ácido fuerte y sustancias oxidantes fuertes para generar óxido de grafito (GO), que se prepara en óxido de grafeno (óxido de grafito de una sola capa) mediante dispersión ultrasónica y se agrega un agente reductor. para eliminar los grupos que contienen oxígeno en la superficie de los grupos de óxido de grafito, como los grupos carboxilo, epoxi e hidroxilo, para obtener grafeno.
Después de que se propuso el método de oxidación-reducción, se ha convertido en el método más sencillo para preparar grafeno en el laboratorio debido a su proceso sencillo y sencillo, y ha sido el preferido por la mayoría de los investigadores del grafeno. Ruoff et al. descubrieron que el grafeno se puede obtener eliminando los grupos de óxido de grafeno que contienen oxígeno agregando productos químicos como dimetilhidrazina, hidroquinona, borohidruro de sodio (NaBH4) e hidrazina líquida. El método de oxidación-reducción puede preparar una suspensión de grafeno estable y resolver el problema de la dificultad del grafeno de dispersarse en disolventes.
Las desventajas del método de oxidación-reducción son que la macropreparación puede causar fácilmente contaminación de líquidos residuales y el grafeno preparado tiene ciertos defectos, como defectos topológicos como anillos de cinco miembros y anillos de siete miembros o la presencia de grupos -OH. Los defectos estructurales en el grupo conducirán a la pérdida de algunas de las propiedades eléctricas del grafeno, lo que limitará la aplicación del grafeno.
4. Método de extracción con solvente
El principio del método de extracción con solvente es dispersar una pequeña cantidad de grafito en un solvente para formar una dispersión de baja concentración y utilizar la acción de Ondas ultrasónicas para destruir las capas intermedias de grafito. La fuerza de Van der Waals, en este momento, el solvente se puede insertar entre las capas de grafito y despegar capa por capa para preparar el grafeno. Este método no destruye la estructura del grafeno como el método de oxidación-reducción y puede producir grafeno de alta calidad. Entre las metilpirrolidonas nitrogenadas, el rendimiento de grafeno es el más alto (alrededor del 8%) y la conductividad es de 6500 S/m. El estudio encontró que el grafito altamente orientado craqueado térmicamente, el grafito expandido térmicamente y el grafito artificial microcristalino son adecuados para la preparación de grafeno mediante exfoliación con disolventes.
El método de exfoliación con disolvente puede preparar grafeno de alta calidad. Todo el proceso de exfoliación en fase líquida no introduce ningún defecto en la superficie del grafeno, lo que ofrece amplias perspectivas de aplicación en campos como la microelectrónica y los materiales compuestos multifuncionales. La desventaja es que el rendimiento es muy bajo.
5. Método solvotérmico
El método solvotérmico se refiere al uso de un disolvente orgánico como medio de reacción en un reactor cerrado especial (autoclave), calentando el sistema de reacción a una temperatura crítica (o cerca de la temperatura crítica), un método eficaz para preparar materiales generando alta presión en el sistema de reacción.
El método solvotérmico resuelve el problema de la preparación de grafeno a gran escala, pero también conlleva el impacto negativo de una conductividad muy baja. Para solucionar las deficiencias causadas por esto, los investigadores combinaron el método solvotérmico y el método redox para preparar grafeno de alta calidad. Dai et al. descubrieron que la resistencia de las láminas de grafeno preparadas reduciendo el óxido de grafeno en condiciones solvotérmicas era menor que la del grafeno preparado en condiciones tradicionales. El método solvotérmico ha atraído cada vez más la atención de los científicos debido a su capacidad para preparar grafeno de alta calidad a alta temperatura y alta presión en un sistema cerrado. La combinación del método solvotérmico y otros métodos de preparación se convertirá en otro punto culminante de la preparación de grafeno.
6. Otros métodos
Los métodos de preparación del grafeno incluyen reducción a alta temperatura, reducción de luz, método de crecimiento de cristales epitaxiales, método de microondas, método de arco, método electroquímico, etc. Sobre la base de lo anterior, el autor propuso un nuevo método para preparar mecánicamente microláminas de nanografeno y logró buenos resultados en la investigación de la producción de grafeno a macroescala. Cómo utilizar de manera integral las ventajas de varios métodos de preparación de grafeno, aprender de las fortalezas de los demás, resolver los problemas de insolubilidad e inestabilidad del grafeno y mejorar la estructura y las propiedades eléctricas son puntos calientes y dificultades en futuras investigaciones. La preparación y desarrollo del grafeno en el futuro abre nuevos caminos.
7. Preparación y perspectivas del grafeno
La preparación a gran escala de materiales cristalinos de grafeno de alta calidad es la base para todas las aplicaciones. El desarrollo de métodos de preparación química simples y controlables es la base. las formas más convenientes y factibles, que requieren exploración y esfuerzos incansables y a largo plazo por parte de los químicos, modificación química del grafeno: modificación química, dopaje, funcionalización de superficies y síntesis de derivados del grafeno para desarrollar el grafeno y sus materiales relacionados (grafeno y materiales relacionados); lograr más funciones y aplicaciones Química de superficie del grafeno: debido a la estructura atómica y electrónica única del cristal de grafeno, la interacción entre las moléculas de gas y la superficie del grafeno mostrará muchos fenómenos de características únicas, que proporcionarán una superficie modelo única para la química de superficies; , especialmente la investigación de catálisis superficial; al mismo tiempo, el grafeno tiene una estructura plana periódica bidimensional perfecta y puede servir como un portador de catalizador ideal. El sistema metal/grafeno proporcionará una superficie modelo única para la investigación de catálisis superficial. sistema de investigación de catálisis.