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美國休斯頓萊斯大學化學系James M. Tour課題組--自下而上法快速合成克級石墨烯
        大多數塊狀石墨烯的生產采用自上而下的方法,即剝離石墨,但該方法通常需要大量的溶劑和高能混合、剪切、超聲波或電化學處理。雖然將石墨化學氧化為氧化石墨烯可促進剝離,但它需要強氧化劑,且在后續(xù)還原步驟中會使得石墨烯出現穿孔結構缺陷。自下向上合成高質量石墨烯的方法,如果采用化學氣相沉積或先進的合成有機方法,往往局限于超微量;如果采用整體溶液,則會產生缺陷。在這里,我們通過快速焦耳加熱廉價碳源(例如煤,石油焦炭,生物炭,炭黑,廢棄食品,橡膠輪胎和混合的塑料廢料),可以在不到一秒的時間內獲得克量級的石墨烯。該產品以其生產工藝命名為快速石墨烯(FG),在堆疊的石墨烯層之間顯示出渦輪層排列結構(即,幾乎沒有順序)。FG合成不需要加熱爐,不需要溶劑或反應氣體,其產量取決于來碳源的含量。當使用高碳源(例如炭黑,無煙煤或煅燒焦炭)時,產量為80%至90%,而碳純度可達99%以上,且生產過程不需要任何凈化步驟。拉曼光譜分析顯示FG存在一個低強度或缺失的D帶,這表明FG是迄今報道的石墨烯中最低缺陷濃度之一,并證實了FG的渦輪應變堆積,這與渦輪應變石墨有著明顯的區(qū)別。FG層的無序取向有利于其在復合材料形成過程中混合后迅速剝落。FG合成的電能成本僅為每克7.2千焦耳,這可使FG適用于塑料,金屬,膠合板,混凝土和其他建筑材料的大塊復合材料中。
 
Fig. 1由多種碳源合成FG。a,FJH過程示意圖。b–d,CB-FG的HR-TEM圖。e,來自各種碳源的FG的表征結果:拉曼光譜,XRD光譜和TEM圖。
 
 
Fig. 2 FJH關鍵參數。a,CB-FG的拉曼光譜。b,CB-FG在不同電壓下的I2D/G和ID/G比。c,CB-FG在不同溫度下反應的時間-溫度圖。 d,CB-FG在不同的持續(xù)時間內反應的時間-溫度圖。e、不同壓縮比下的CB-FG的拉曼光譜。f, c中CB-FG樣品的拉曼光譜。g,d中CB-FG樣品的拉曼光譜。
 
 
Fig. 3 分子動力學模擬。
 
 
Fig. 4 CB-FG的擴大規(guī)模和應用。a,用于合成FG的不同尺寸和形狀的FJH石英管。b,FG在水-Pluronic(F-127)溶液中的分散度(1%)。c,FG在5 g l-1的各種有機溶劑中的分散度。d,水泥與FG混合的機械性能。
 
       相關研究成果于2020年美國休斯頓萊斯大學化學系James M. Tour課題組,發(fā)表在Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0)上。原文:Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis
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