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要做出单层石墨烯真的很简单,我们不仅早在 2015 年就完成了这个技术,而且不需要再还原,横向尺度也比同业高出至少 10 倍。但我们最后只用在透明导电膜,甚至还破碎成纳米级悬浮液,就是因为微米级单层石墨烯用途不大,冷干后还会严重堆栈,这些在石墨烯业者都知道的道理,不知道为何还要拿出来炒作?
最近媒体又开始一波石墨烯量产的追逐风,其实这没有甚么大不了的,每种工艺都有它们各自的优缺点,只是很多时候都被掩盖住另一面不想被民众参透。这篇文章分成两部分來谈,第一部份先介绍中国石墨烯业者较常用石墨烯制备的工艺,第二部份再来比较各种工艺下有何优缺点。
1氧化還原法
Xu 等(2008) 进一步改良 Hummers 所提出的方法,而可以剥离出大量的单原子层之氧化石墨烯(graphene oxide,GO)。氧化石墨烯的工藝如图 1 所示,由于过程使用强氧化剂而使得石墨形成氧化石墨,大量的含氧化官能基团(oxygen functional groups)形成于石墨的基面(basal plane)与边界(edge)。
这些含氧的官能基团的亲水特性,使石墨烯克服层间的凡德瓦力而剥离,而新的表面又接续进行氧化反应,并剥离下来,如此便能获得大量的氧化石墨烯之分散溶液。氧化石墨烯的材料本质充满需多氧化官能基团,透过化学分析的方法,如图 1(b)所示,其在石墨烯的基面上会形成环氧基(epoxy,C=O)和羟基(hydroxyl,C-OH)、羧基(carboxyl,COOH)、羰基(carbonyl,C-O)等则分布于边界处。而图 1(c)显示氧化石墨烯在经过还原后,仍会存在许多的缺陷结构以及残余的氧化基,因此就算已经有许多还原的方法被提出,包括高温还原(thermal annealing)、联胺还原(hydrazine vapor)等,依然无法将氧化石墨烯的缺陷结构完整的修复。
氧化石墨烯在材料的电性上为绝缘性,但是经过还原后的氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)则可以转变为导电性。然而就如上述, 还原氧化石墨烯的缺陷态高,因此其导电性仍远低于完美晶格的石墨烯。
由于目前的还原方法多会在还原后留下许多缺陷结构,且部分碳原子也被消耗,因此还原后的石墨烯,即使大部分的氧化官能基团可以被移除,但缺陷的结构依然无法被完全的修复。
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