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石墨烯制备设备的研发技术获重大突破

2023-06-21   

近年来,石墨烯制备设备的研发技术获得了重大的突破,对此我们进行了深入了解,今天给大家介绍一下,石墨烯制备设备的最新情况。

石墨烯被称为“材料之王”,是迄今为止大自然中仅有厚度最薄、最硬和导热性导电性最佳新型材料。现阶段,石墨烯已经在智能穿戴设备、新能源电池、电子元件等诸多领域推广试用。

石墨烯行业的不断发展越发的获得国内高度重视。2012年工信部发表《新材料产业“十二五”发展规划》,首度明确指出大力支持石墨烯新材料的不断发展。过后,国内相继颁布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》《新材料产业发展指南》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等相关资料,确定石墨烯在新时代中国制造业发展过程中的重要战略位置,支持在电化学储能、海洋工程和柔性电子器件等领域拓展石墨烯应用。

作为一个石墨资源大国和国际制造业强国,我们国家在石墨烯应用方面具有极大的发展空间。在国家和地方政府的大力支持下,近些年国内石墨烯产业化快速发展,基本建立起以石墨烯原料、产品研发、制备和应用为核心的全产业链。

也是归功于近几年来,我国新能源、半导体和医疗器械产品等领域的快速发展,石墨烯需求量随之逐年增加,推动产业规模的不断扩大。

石墨烯材料,只有一层碳原子厚度,一毫米的石墨就大约包含300万层石墨烯,换句话说石墨烯的厚度只有薄薄的0.335纳米。

因为石墨烯制备技术标准门槛较高,因此当很多人会觉得,石墨烯的产业化制备将会长期滞留在实验室阶段,石墨烯制备设备不能产业化量产。但其实早在2015年,就已经有科研团队就对此进行技术革新,并且成功突破了这个难题。

氧化石墨以及其剥离产物氧化石墨烯,作为产业化制备石墨烯的核心前驱体,在很多领域发挥重要作用。现阶段在科研及工业制备中,主要是以1958年所提出的Hummers法为核心,运用强氧化剂在浓硫酸体系里对石墨进行化学氧化,更进一步剥离获得氧化石墨烯。近几年来技术人员专门针对Hummers法给出了很多改进方案,但是由于氧化物在石墨层间扩散迟缓和易爆中间产物的产生与积累,造成化学反应耗时长、安全事故隐患大、质量管控难等问题。大规模生产环境下的大体积反应釜和低换热效率更进一步加剧了这类挑战。所以,亟待开发一种高效率、安全可靠并且可以产业化应用的氧化石墨烯制备技术,这样一来,石墨烯制备设备的规模化生产,就不再是不可攻破的难关了。

中国科学技术大学朱彦武教授团队,通过与中科院上海高等研究院、常州第六元素材料科技股份有限公司和上海交通大学进行合作研究,选用具备百微米尺寸和连续流动特征的微通道反应器,充分运用微通道内高效率传质传热等优点,实现快速且本质安全的石墨氧化过程,在石墨烯制备领域取得至关重要进展情况,科研成果此前出版在《先进材料》上。

科研团队通过加强的微流化学反应,促使石墨在2分钟之内就能达到传统的反应釜中数个小时才能达到的氧化程度;通过调整微反应器构型、化学反应流体参数等,可在一定条件下精细调节氧化石墨烯的氧化程度和含氧官能团种类。除此之外,小尺寸且透明的微反应器促使运用光谱实时检测氧化进程得以实现。技术人员利用原位表征石墨氧化中的拉曼G峰演变,分析了流速、原料石墨种类和片径等对氧化反应动力学的影响,并在此基础上结果预测分析,年产60吨的连续化制备产线,仅需约6.5升的微反应器。

在这个基础上,技术人员展现了氧化石墨烯产物的导热导电性能,为运用微流体技术手段实现氧化石墨烯的制备与应用奠定了基础,也就促使石墨烯制备设备的发展有了跨越性的发展。

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