“生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，用新方法在1個(gè)小時(shí)之內(nèi)，就能做出這樣的單層氧化石墨烯，未來有望在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。”近日，在浙江大學(xué)高分子系一個(gè)裝滿了瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)室中，該系教授高超一邊給筆者展示一種類似咖啡粉的褐色粉末，一邊介紹說。

某知名雜志日前發(fā)表了一篇由高超課題組完成的石墨烯制備研究成果。該成果避開現(xiàn)有石墨烯制備方法的諸多缺陷，突破了傳統(tǒng)氧化石墨烯制備方法，找到了一條低成本制備單層石墨烯的“綠色”路線。

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的類似正六角形的“蜂窩狀”薄片。“20萬片石墨烯加在一起，才相當(dāng)于人類的一根頭發(fā)絲粗細(xì)。”高超向筆者介紹說，此前碳的這種二維結(jié)構(gòu)形式一直存在于科學(xué)家的猜想中，卻一直難以實(shí)現(xiàn)，其中的關(guān)鍵性難題就是如何把石墨分層到極薄的薄片。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫最終制成了厚度只有0.335納米的石墨烯，這是世界上第一次得到單層石墨烯，兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來的機(jī)械剝離法已成為實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的一種常用方法。然而，該方法局限性十分明顯，制成的是不同層數(shù)的石墨烯混合物，難以大規(guī)模制備單層石墨烯。

在高超看來，石墨烯若要真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，有三個(gè)關(guān)鍵問題需要解決：原料、材料和器件。原料就是石墨烯，尤其是單層石墨烯；材料是石墨烯原料組裝成的宏觀材料；器件就是把材料做成有功能的裝備。“宏觀材料問題已經(jīng)基本解決了，最根本的原料問題仍然處于探索之中。”他說。

經(jīng)過多年探索，該研究團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了一種新型、廉價(jià)、無毒的鐵系氧化劑，取代了沿用半個(gè)多世紀(jì)的氯系、錳系氧化劑，使石墨烯制備過程快、成本低、無污染，適用于工業(yè)化大規(guī)模制備。雜志審稿人評價(jià)：“該方法對石墨烯未來的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。”

關(guān)于新的石墨烯生成技術(shù)，高超解釋說，鐵氧化劑分子的“奔跑”速度非常快，可以像楔子一樣，快速穿插 進(jìn)入石墨內(nèi)部，使其快速分層。“在此過程中，還會(huì)產(chǎn)生氧氣，這些氣體會(huì)幫助其‘頂’開層層石墨，使制備速度加快。”他說。

這種制備方法之所以很“綠色”，是因?yàn)樗鼪]有爆炸隱患，不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，屬于環(huán)境友好型技術(shù)。同時(shí)，生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該方法在1個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以制備單層石墨烯，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，在鐵系氧化劑溶液中制得后，可以收干還原成為石墨烯粉末；在制作材料時(shí)，又能“速溶”于溶劑。這一特性可以讓石墨烯原料便于保存和運(yùn)輸。

此次研究的成功并非一蹴而就。據(jù)了解，課題組此前已用石墨烯制作出多種形式的宏觀材料和超級電容器、鋰電池等器件。

高超的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也展現(xiàn)了他們的研究歷程。在那里，筆者看到大大小小的玻璃瓶中裝著形態(tài)各異的石墨烯材料；有實(shí)驗(yàn)室拍攝的2011年度圖片的石墨烯打結(jié)圖；甚至實(shí)驗(yàn)室纖細(xì)的文竹葉子上也“漂浮”著入選2013年度世界最輕固體材料紀(jì)錄的石墨烯彈性氣凝膠；還有像電影膠片一樣、每分鐘可以“紡”10米的連續(xù)石墨烯薄膜……高超介紹說，正是在此基礎(chǔ)上，他們才開始考慮如何在原料層面突破現(xiàn)有難題，推動(dòng)單層石墨烯規(guī)模化、低成本制備。