2017年2月4日 星期六

能夠量產石墨烯的專利技術

這個專利可值錢了!
石墨烯性能優良,同時具備出色的柔軟性和高於鑽石的硬度。作為超導體,電流在石墨烯中的傳播速度高於任何已知物質。它的導熱性能更比銅高出 10 倍。石墨烯的生物兼容性很高,可以吸收 2.3% 的白光。最重要的是,石墨烯持久耐用。
「但最近,科學家成功利用受控爆炸(contained detonation)技術,從含碳材料中獲取石墨烯。首先,科學家將氧氣與乙炔(或乙烯)在容器內混合,然後利用火星塞點燃,然後便獲得石墨烯。
這種方法由 Chris Sorensen 發現,目前已經申請專利。當時,他們正在研究碳煙灰氣溶膠,偶然發現副產物中竟然帶有石墨烯。」
石墨烯就是只有一個碳原子厚度的純碳薄膜(六角型呈蜂巢晶格),天然石墨是其疊積體,發現用一般膠帶粘黏石墨就可以剝離出石墨烯的兩個傢伙,竟然就靠著這個手藝得了諾貝爾獎,你就知道產生石墨烯有多困難了!
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料[3],它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光"[4]導熱系數高達5300 W/m·K,高於碳奈米管金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s,又比奈米碳管或矽晶體(monocrystalline silicon)高,而電阻率只約10-6Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料[5][1]。因為它的電阻率極低,電子的移動速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,也適合用來製造透明觸控螢幕、光板、甚至是太陽能電池。
「過往,石墨烯可透過有機械剝離、化學還原或熱化學氣相沉積等方式備製,但不是難以大面積生產,就是提取方法繁瑣、成本高昂危險性高,以熱化學氣相沉積提煉而言,得在高度控制的爆炸壓縮氣體環境,透過長時間高溫(通常在攝氏 1,000 度以上)、真空等方式提煉。
根據目前的技術,一片 4 吋左右的石墨烯薄膜要價高達 750 美元,CSIRO 則發明一種新興的「GraphAir」技術,強調在一般環境就能提取石墨烯,CSIRO 科學家、研究作者之一的 Zhao Jun Han 指出,新的技術有望讓石墨烯價格降至目前的十分之一。
分離出石墨烯的主角,就是一般我們所見的大豆。
石墨烯是由單層碳原子組成,形狀呈六角蜂巢晶格、只有一個原子厚度的二維材料,研究團隊將多晶鎳(Ni)薄片做為催化劑,與大豆油前驅物(precursor)共同在一般空氣環境中加熱,當加熱溫度來到攝氏 800 度,大豆中的碳結構開始解離,並溶解至鎳金屬薄片,經過三分鐘退火,促進碳原子在鎳溶解,最後透過快速冷卻碳從中分離並在鎳表面形成結晶,因此生成單層至數層的石墨烯薄膜,生成的薄膜可再剝離置於玻璃基板。」
但上面報導引述的方法太耗能又繁瑣了。而本文(底下的報導)的方法,只要把乙炔(或乙烯)加氧氣灌入鋼筒,然後用火星塞點燃,在鋼筒內壁就能得到石墨烯了。這是最簡易的製作石墨烯方法了。而以前是用類似的方法做碳黑(碳粉)。
總之,碳黑的用途與市場很大,但石墨烯的用途與潛在的市場更大。石墨烯的存在2004年才被證實,量產很不容易,大家都在找降低成本增加量產的方法。本文與所引另一報導是其中之一,比較重大的發現。
堪薩斯州立大學(Kansas State…
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