探究宏觀尺寸石墨烯和碳納米管產品_中華網
李子豐
石墨烯和碳納米管作為科學研究的熱點已經持續很長時間了。目前,國際學術界,包括國家標準,對石墨烯有定義,原則上,10層以下、具備晶體結構才屬於「石墨烯」,少層石墨烯通常指5層以下。市場上主流商務推廣的,要麼是「石墨粉」,要麼基本上是非晶體的「還原氧化石墨烯」,它屬於國家標準定義的「類石墨烯」,與「類金剛石」不是金剛石一樣,類石墨烯也不是石墨烯。
一、石墨烯和碳納米管的定義
石墨烯(graphene)是由呈六邊形排列的碳原子構成的單層布狀材料,其特點是碳原子在平面內與相鄰的三個碳原子形成共價鍵。1947年Wallace首先提出了石墨烯這個概念。圖1所示。
圖1 單層石墨烯內碳原子的排列方式及化學鍵
碳納米管(carbon nanotubes)是由呈六邊形排列的碳原子構成的單層至多層同軸圓管材料,其特點是碳原子在管壁曲面內與相鄰的三個碳原子形成共價鍵。1991年飯島澄男(Sumio Iijima)首先提出了碳納米管這個概念。圖2所示。
圖2單層碳納米管內碳原子的排列方式及化學鍵
二、石墨烯和碳納米管的「生產」及有待探索的科學問題
(一) 石墨烯的「生產」及有待探索的科學問題
石墨烯的「生產」。 2004年,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃消洛夫(Konstantin Novoselov)將石墨薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二;不斷地這樣操作,於是薄片越來越薄,最後,他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。後來,他人就將石墨片換成了石墨粉或碳粉。現在,市場產品外觀是粉末,顆粒直徑為微米級。
石墨烯「生產」的疑問。(1)怎麼確認得到了僅由一層碳原子構成的薄片?(2)根據石墨烯的定義,碳原子間有三個共價鍵;石墨片中的碳原子間有三個共價鍵嗎?(3)石墨粉或碳粉中的碳處於散體態或遊離態,散體或碳原子間沒有共價鍵;這樣操作後碳原子間就有三個共價鍵了;共價鍵是什麼時候形成的?一位領軍人才候選人回答:他們認為形成了。(4)資料說石墨烯的理論斷裂強度為130GPa,而石墨的斷裂強度僅為20-30 MPa,經過簡單的機械剝離,斷裂強度就增加了幾千倍?(5)沒有搜到類似圖1的石墨烯微觀照片。
(二)碳納米管的「生產」及有待探索的科學問題
碳納米管的「生產」。1991年日本物理學家飯島澄男就是從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現碳納米管的。電弧放電法的具體過程是:將石墨電極置於充滿氦氣或氬氣的反應容器中,在兩極之間激發出電弧,此時溫度可以達到4000度左右;在這種條件下,石墨會蒸發,生成的產物有富勒烯、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管;使用這一方法製備碳納米管技術上比較簡單,但是生成的碳納米管與C60等產物混雜在一起,很難得到純度較高的碳納米管,並且得到的往往都是多層碳納米管。在此之前,1890年人們就發現含碳氣體在熱的表面上能分解形成絲狀碳;1953年在CO和Fe3O4在高溫反應時,也曾發現過類似的絲狀結構。在20世紀70年代末,新西蘭科學家發現在兩個石墨電極間通電產生電火花時,電極表面生成小纖維簇,進行了電子衍射測定發現是由類石墨排列的碳組成。現在,市場產品外觀是粉末,長度為微米級。
碳納米管「生產」的疑問。(1)根據碳納米管的定義,碳原子間有三個共價鍵;這樣生產的碳納米管中的碳原子間有三個共價鍵嗎?(2)資料說碳納米管的理論斷裂強度為100-200 GPa,與石墨烯的基本一致;有資料稱實測強度超60Gpa;長度為微米級粉末狀碳納米管的斷裂強度是怎麼測得的?用什麼儀器測得的?儀器量程和精度是多少?(3)沒有搜到類似圖2的碳納米管微觀照片。
三、結論
根據上述分析,關於石墨烯和碳納米管還有眾多研究難點有待解決,尚無宏觀尺寸石墨烯和碳納米管產品。雖然全世界投入了大量人力物力財力來發展石墨烯應用技術,但尚缺乏實質性產業技術突破,其根本原因是缺乏優質石墨烯的量產製備技術。就應用體量最大的粉體材料來說,市場上的石墨烯材料缺陷率太高,本質上與「炭黑」相當,嚴重製約了其在包括化學儲能、新能源汽車、先進功能材料及器件等領域的應用技術的開拓,是其產業化推廣的關鍵瓶頸。
(作者系燕山大學退休二級研究員)
