麻省理工學(xué)院開發(fā)新的高質(zhì)量可擴(kuò)展石墨烯膜連續(xù)制備工藝

麻省理工學(xué)院開發(fā)新的高質(zhì)量可擴(kuò)展石墨烯膜連續(xù)制備工藝

 麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種連續(xù)的制造工藝，可以生產(chǎn)長條高質(zhì)量的石墨烯。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果首次證明了可用于制造高質(zhì)量石墨烯的工業(yè)可擴(kuò)展方法，該方法適用于過濾各種分子（包括鹽、較大離子、蛋白質(zhì)或納米顆粒）的膜。這種膜應(yīng)該用于脫鹽、生物分離和其他應(yīng)用。

“幾年來，研究人員一直認(rèn)為石墨烯是超薄膜的潛在途徑，”機(jī)械工程副教授兼麻省理工學(xué)院制造與生產(chǎn)力實(shí)驗(yàn)室主任 hart說?！拔覀兿嘈胚@是第一項(xiàng)量身定制石墨烯制造膜應(yīng)用的研究，這需要石墨烯是無縫的，完全覆蓋基材，并且質(zhì)量很高。” hart是該論文的資深作者，該論文在《Applied Materials and Interfaces》期刊上發(fā)表。

生長石墨烯

對于許多研究人員來說，石墨烯非常適合用于過濾膜。單片石墨烯類似于原子狀的細(xì)金屬絲，由碳原子組成，碳原子以一種圖案連接，使得該材料非常堅(jiān)韌，即使是最小的原子氦也不會透過。

包括Karnik小組在內(nèi)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出制造石墨烯薄膜的技術(shù)，并且用小孔或納米孔精確地控制，其尺寸可以根據(jù)需要定制以過濾出特定的分子。大多數(shù)情況下，科學(xué)家通過稱為化學(xué)氣相沉積的方法來合成石墨烯。在這種過程中，他們首先加熱銅箔樣品，然后將碳和其他氣體的混合物沉積在石墨烯上。

在實(shí)驗(yàn)室里，石墨烯基膜大多是小批量制造的，研究人員可以在那里仔細(xì)控制材料的生長條件。然而，hart和他的同事認(rèn)為，如果石墨烯膜要在商業(yè)上使用，就必須以大量、高速率和可靠的性能生產(chǎn)。

hart說：“我們知道，對于工業(yè)化來說，這需要一個(gè)持續(xù)的過程。你不可能只做幾塊就夠了。而在商業(yè)上使用的薄膜需要相當(dāng)大--有些太大了，你必須把一張海報(bào)般寬的鋁箔放到爐子里才能制造出薄膜。”

工廠推出

研究人員著手建立一個(gè)端到端，從頭到尾的制造工藝來制造膜質(zhì)量的石墨烯。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)置結(jié)合了卷對卷方法，一種用于連續(xù)處理薄箔的常見工業(yè)方法，采用普通的石墨烯制造技術(shù)--化學(xué)氣相沉積法，以大批量和高速率制造高質(zhì)量的石墨烯。該系統(tǒng)由兩個(gè)線軸組成，通過穿過小爐的傳送帶連接。第一個(gè)卷軸展開一條長度不到1厘米寬的銅箔條。當(dāng)它進(jìn)入爐子時(shí)，箔片通過第一個(gè)管道，然后是另一個(gè)，以“分區(qū)”設(shè)計(jì)進(jìn)料。

當(dāng)金屬箔通過第一根管子時(shí)，它會加熱到一定的理想溫度，此時(shí)它已準(zhǔn)備好穿過第二根管子，科學(xué)家們在這里按指定的甲烷和氫氣比率泵入，并沉積到加熱箔產(chǎn)生石墨烯。

“石墨烯開始在島上形成，然后這些島一起生長形成連續(xù)的薄片，”hart說?！爱?dāng)它離開烤爐時(shí)，石墨烯應(yīng)該完全覆蓋一層薄膜，就像一個(gè)連續(xù)的比薩餅床。”當(dāng)石墨烯離開爐子時(shí)，它被卷到第二個(gè)線軸上。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過該系統(tǒng)連續(xù)供給箔片，以每分鐘5厘米的速度生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。他們最長的時(shí)間持續(xù)了將近四個(gè)小時(shí)，在此期間他們產(chǎn)生了約10米的連續(xù)石墨烯?！叭绻@是在一家工廠，它將7*24小時(shí)運(yùn)行，”hart說?！澳憧梢韵裼∷C(jī)一樣通過大卷軸紙?！?br>
靈活的設(shè)計(jì)

一旦研究人員使用卷對卷方法生產(chǎn)石墨烯，他們從第二個(gè)卷軸上展開箔片并將小樣本切出。他們使用由哈佛大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的方法，用聚合物網(wǎng)或支持物來鑄造樣品，然后蝕刻下面的銅。

“如果不充分支撐石墨烯，它就會蜷縮起來，”Kidambi說?！八阅銖南旅嫖g刻出銅，并用多孔聚合物直接支撐石墨烯，這基本上是一種膜。”聚合物覆蓋的孔比石墨烯的孔大， hart說，石墨烯的孔是微觀的“鼓頭”，使石墨烯堅(jiān)固，微孔開放。研究人員使用石墨烯膜進(jìn)行擴(kuò)散測試，將水、鹽和其他分子的溶液流過每個(gè)膜。他們發(fā)現(xiàn)總體而言，膜能夠承受流動(dòng)，同時(shí)過濾出分子。它們的性能可與傳統(tǒng)的小批量法制備的石墨烯膜相媲美。

該團(tuán)隊(duì)還以不同的速度運(yùn)行該過程，使用不同比例的甲烷和氫氣，并對每次運(yùn)行后所得石墨烯的質(zhì)量進(jìn)行了表征。他們繪制了圖表來展示石墨烯質(zhì)量與制造工藝的速度和氣體比率之間的關(guān)系。Kidambi如果其他設(shè)計(jì)師可以建造類似的裝置，他們可以利用團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)來確定他們生產(chǎn)某種質(zhì)量的石墨烯所需要的設(shè)置。

Kidambi說?！霸撓到y(tǒng)為您提供了極大的靈活性，無論您希望如何調(diào)整石墨烯，從電子到薄膜應(yīng)用都可以?！闭雇磥恚琱art表示，他希望找到方法，改善包括聚合物鑄造和其他手動(dòng)完成的步驟，以卷到卷的方式進(jìn)行。hart說：“在端到端的流程中，我們需要將更多的業(yè)務(wù)整合到生產(chǎn)線中。目前，我們已經(jīng)證明了這個(gè)過程可以擴(kuò)大，我們希望這能增加人們對基于石墨烯的膜技術(shù)的信心和興趣，并為商業(yè)化提供了一條途徑。”

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