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原始形式生成纯净石墨烯,带来可应用于更多领域的石墨烯纳米复合材料

2017-9-13 18:09:15

康涅狄格大学化学教授Doug Adamson发现了一种低成本的方法来改造这种物质的原始形态,改造之后的物质比钢还硬,比头发还细薄。 

 

作为康涅狄格大学材料科学研究所聚合物项目的成员,Doug Adamson教授利用了一种独一无二的方法,对纯净(未氧化)石墨烯进行剥离,制造出了可以应用在各种领域中的石墨烯纳米复合材料。


如果把石墨烯想象成一副牌,那每张牌就是一块石墨烯片。石墨烯由六方晶格中排列的单层碳原子构成,是比钢要强至少100倍的二维晶体。由石墨烯制成的气凝胶是人类已知的最轻的材料,其中石墨烯片是最薄的一个,只有一个原子的厚度,比人类头发薄大约一百万倍。石墨烯还具有比铜更高的导热性和导电性。


由于这些独特的性质,石墨烯自2004年首次从石墨中分离出来以来,一直是学术研究人员和行业领导者的热门话题。此后,学术界已经发表了10,000多篇关于该材料的学术文章。但是在这些文章中,只有Adamson才阐述了以原始形式制造石墨烯的专有过程。

 

我们通常所说的“石墨烯”实际上是化学还原或热还原的氧化石墨烯。石墨烯氧化物中的氧气作为一种化学助剂,使得石墨烯更易于使用,与Adamson所述的不经任何处理的纯石墨烯相比,石墨烯中加入氧气会降低材料的机械性能,热性能和电性能。


不过还原氧化石墨烯也显著增加了材料的制造成本。氧化石墨需要添加昂贵的危险性化学药品来进行还原,如无水硫酸和过氧化钾,然后进行长时间的操作来隔离和净化产品,这一过程称为化学处理。Adamson的工艺不需要任何额外的步骤或化学药品,全是以原始形式生产石墨烯。


Adamson说:“我们的创新和技术推动我们使用热力学驱动方法将石墨堆叠成并组成石墨烯片,然后将这些片材排列成连续导电的三维结构。“我们的方法的简单性与目前用于剥离石墨的技术形成鲜明对比,这些技术依赖于强氧化或高能量混合或超声处理,超声处理是将声能长时间应用于分离的颗粒。我们的生产过程很简单,但是并没有人报道过,而且这种方法确实是正确的。”


研究生Steve Woltornist进行初步实验不久后,Adamson受阿克伦大学长期合作伙伴Andrey Dobrynin邀请也加入了这项工作,Andrey解释了驱动剥离的热力学。他们的工作成果已经在美国化学学会的同行评议的ACS Nano杂志上发表。

 

Chau Vy是聚合物项目的研究生,Ch Analani Liyanage是化学系研究生,在材料科学研究所研究石墨烯。

 

石墨烯的一个特征似乎是许多研究的阻碍,其不溶性是Adamson发现的核心。由于它不溶于液体,Adamson及其团队将石墨放在水和油的界面处,石墨烯片自发扩散以覆盖界面并降低系统的能量。石墨烯片作为单独的重叠片材在界面处被捕获,并且随后可以使用交联的聚合物或塑料被锁定就位。


Adamson于2010年开始探索从石墨中提取石墨烯的方法,并通过空军授予合成导热复合材料。2012年获得由国家科学基金会(NSF)提供的探索性研究早期奖学金(EAGER)。此后,他还从NSF设计材料获得了120万美元的资助,以革新和设计未来计划,并在康涅狄格大学的SPARK技术商业化基金计划中获得了50,000美元奖励。


UConn和UConn Health研究副总裁Radenka Maric说:“Adamson博士的工作不仅涉及他的丰富学识,还涉及到他们研究的潜在现实应用。“康涅狄格大学一直在发展像SPARK这样的课程,使教师能够考虑到他们工作的广泛影响,并创造有利于社会和国家经济的产品或服务。


海水淡化石墨烯


虽然稳定的石墨烯复合材料在飞机,电子和生物技术领域具有无数的潜在用途,但Ada-mson选择将其技术应用于改进淡化咸水的标准方法。他利用SPARK资金正在开发一种使用石墨烯纳米复合材料的装置,通过一种称为电容去离子(CDI)的过程从水中去除盐。


CDI依靠廉价,高表面积的多孔电极从水中除去盐。在CDI中有两个循环:从水中除去溶解的盐的吸附阶段,以及通过停止或反转电极上的电荷使吸附的盐从电极释放的解吸阶段。

 

尽管我们用来制造电极的材料很多,但没有一种是用于大规模商业化的可行材料。Ada-mson及其业界合作伙伴认为,他设计的简单,廉价和强大的石墨烯纳米复合材料或许是最终将CDI推向市场的技术。

 

Adamson的合作伙伴同时也是一位成功的企业老板Michael Reeve说,“我们正在开发的产品是一种廉价的石墨烯材料,具有优异的电极性能,可以替代目前在CDI中使用的昂贵,效率低的材料。”

 

该团队组建了一家名为2-D Material Technologies的创业公司,并申请了一项小型企业创新研究资助计划,以继续将Adamson的技术商业化。他们希望加入康涅狄格大学的技术生产项目,并将其理念推向市场。


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