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唐永亮:“黑黄金”也能“白菜价”

发布时间:2018-03-29 12:14:25  |  来源:中国教育新闻网  |  作者:姚卓琛 祁德飞 冯佳鑫  |  责任编辑:刘先平

 


从装置的一端通入十分常见、十分廉价的天然气,在装置的另一端就会源源不断地产生出高质量的“黑色黄金”石墨烯。这就是电子科技大学基础与前沿研究院唐永亮与美国得克萨斯州立大学于庆凯教授共同提出的制备石墨烯的新方法。这个新方法不仅能使石墨烯变成“白菜价”,还将为更多二维材料的大规模生产开辟新途径。

在实验室里,唐永亮通过这种方法,用十分简单的小型装置,一小时就可以生产出9克石墨烯。如果给一周时间,就可以生产出一公斤石墨烯。如果实现了产业化,用大型装置进行生产,产出还会更大。毫无疑问,这种方法为石墨烯的广泛应用突破了一道瓶颈。

找出质量产量“双全法”

石墨烯自发现以来,在电学、热学、力学等方面展现出巨大应用前景。但目前流行的制备方法各有优劣,难以两全:气相沉积法质量好而产量低,氧化还原法产量很高但质量差。

唐永亮在开始研究时就确立目标,要找到一种既能保证产量又能保证质量的方法。他认为,现在常用的大规模制备石墨烯的氧化还原法,会对石墨烯的“晶格”造成严重损坏,极大地影响石墨烯成品的质量。因此,从一开始他就舍弃了“氧化还原法”这个研究路径。

那么,气相沉积法如何突破呢?唐永亮说,这种方法的原理是通过高温含碳气体分解形成碳原子沉积在金属基体表面,形成石墨烯,质量很不错,但是生成的第一层石墨烯会阻碍金属对反应过程的催化作用,因而产量很低。问题的关键就在于怎么让催化金属和含碳气体进行充分、持续的接触。

唐永亮首先想到用液态金属代替“气相沉积法”中的固态金属。2015年,他向导师祖小涛教授求教,祖小涛充分肯定他的设想,并推荐他与美国德克萨斯州立大学的于庆凯合作。

小小改动带来巨大创新

唐永亮入提出在液态金属中“吹泡泡”的想法,得到了于庆凯教授的充分肯定。据他们了解,之前还从来没有人这样做过,唐永亮很可能是“第一个吃螃蟹的人”。

实验的效果如他所料,在熔融金属中发生反应,气泡就会一直不断地产生,一个新的气泡就会形成一个新的没有石墨烯的表面,不断地产生气泡,石墨烯就会不断地产生出来,从而提高石墨烯的产量。

为了寻找一种催化效果最好的金属,唐永亮像爱迪生寻找钨丝那样,在诸多种金属材料中进行筛选,最终发现,铜的效果最好、产量最高,石墨烯生长出来之后,就像漂浮在水面的一张油纸那样漂在液态铜的表面。

接踵而来的难题是,如何把这一层层漂浮的石墨烯收集起来呢?最容易想到的办法当然是用机械的方法捞出来。但这种办法显然是不便操作且效率低下的。百思不解之时,他偶与于庆凯教授交流,于庆凯教授说:“何不把它吹出来?”

“这是一个重要的提示!”唐永亮说,“石墨烯跟液态铜的浸润性很差,它们俩是不会粘在一起的,如果通入气体吹一下,漂浮在液态铜表面的石墨烯就会飞起来,我们只需要在装置的尾端设置一个罐子收集就可以了。”

在实验室搭建的小型设备上,唐永亮在一小时内生产了大约9克石墨烯。“传统的气相沉积法的产量很小,根本无法用克来计量,只能说面积有多少平方厘米,像我手机这么大的一层石墨烯,可能都要几百块钱!”唐永亮用自己的手机比划说:“采用我的方法,石墨烯的制造成本跟氧化还原法差不多,1克只要几块钱,质量比氧化还原法高得多。”

百尺竿头更进一步

经过一年半的研究,唐永亮探索出了一套相对成熟的石墨烯制备方法。Nature杂志的编辑肯定了他的这一创新制备方法,但也一针见血地指出这种方法的不足——相比于传统的气相沉积法,唐永亮的气泡气相法产出的石墨烯依然较厚。

论文被拒,给唐永亮浇了一瓢冷水,却也成为他“百尺竿头更进一步”的强大动力。他坦承:“改进的空间还很大!”

作为新材料中的“黑色黄金”,石墨烯在电子、导电油墨、防腐涂料、储能设备、航空航天等领域有着巨大的潜在市场等待挖掘。

石墨烯的应用价值如此广泛,但一直没有真正地从实验室走出去,主要原因就在于石墨烯的大规模、高质量生产方法没有取得突破。现在,有了这种新方法,走向产业化的障碍已经清除了。唐永亮表示:“障碍一旦清除,用不了多久,石墨烯将广泛进入我们的生活,改变这个世界!”

 

责任编辑: 刘先平

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