改良石墨烯增產的制取方法

李鳴禧

石墨烯是一種由碳原子以sp2 雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的二維材料，所以又叫單原子層石墨。由于具備良好的強度、韌性，導電、導熱性能及光學特性，石墨烯在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。

雖然科學家已經發現并成功獲得了石墨烯，但現階段工業生產石墨烯的效率低、成本高，使得石墨烯的價格一直居高不下，不利于石墨烯產業的發展。

目前，石墨烯的主要制取方法有粉體生產法和薄膜生產法。粉體生產法主要有機械剝離法、氧化還原法、SIC外延法，薄膜生產法主要是化學氣相沉積法。

粉體生產法中的機械剝離法效率過低，氧化還原法生產出的石墨烯質量不好，SIC外延法對設備的要求較高。化學氣相沉積法的成本較高，工藝也不完善。

我想對粉體生產法中的機械剝離法進行改良。2004年，科學家在一次偶然的情況下想到用膠粘石墨，把膠撕下來就能得到一片石墨烯。既然可以用膠粘下一片石墨烯，我們能不能也想一種方法，一層層地將石墨烯從石墨上剝離？

一、設計方案

1.如圖1所示，將一塊石墨放進水中，要求此石墨的每一層都處于水平位置。

2.將其冷凍，待水結冰后拿出，削去上層的冰塊，讓石墨的頂端平面與冰面在同一平面上。

3.用一塊加熱到一定溫度（此溫度需要實驗測得，為最佳溫度）的鐵片（或其他材質，此材質的最終確定也需進行實驗），將其置于冰的表面高速滑過。稍加熱鐵片，所得石墨烯會自動從鐵片脫落。

4.重復以上操作，可制得大量石墨烯。

二、設計原理

如圖2所示，深色球為水分子（此時為冰），淺色球為碳原子，AB為鐵片。當鐵片加熱后飛速滑過冰凍后的石墨表面時，冰剛好融化一層（此過程的溫度與鐵片滑過的速度應精確控制），此時的第一層碳原子會吸附在鐵片上，因為水平方向有較大的摩擦力（如同兩片中間有水的玻璃，由于大氣壓力與分子間作用力的共同作用，其間的吸附力與摩擦力都很大），鐵片將帶動第一層碳原子與它一起運動，可第一層碳原子又與第二層碳原子間有范德華力，使得第一層碳原子想帶動下面幾層一起運動。

由于石墨材料分層結構的特性，層間范德華力較弱，且第二層冰未融化繼而阻止了第二層碳原子的移動，所以第一層碳原子就從碳塊上脫離到高速運動的鐵片上。

加熱的鐵片冷卻后，由于石墨烯與鐵片在受熱時形變不同，石墨烯部分位置與鐵片發生相對滑動且兩者之間的大氣壓力消失，使得石墨烯從鐵片上脫落，從而制得大量石墨烯。