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麻省理工研發(fā)出石墨烯連續(xù)生產(chǎn)工藝

發(fā)布日期：2018-4-26 來源:材料科技在線

麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)出了一種生產(chǎn)高質(zhì)量長條狀石墨烯的制造工藝。

該團隊的研究成果*展示了一種可產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化制造高質(zhì)量石墨烯的生產(chǎn)工藝，用該方法生產(chǎn)的石墨烯膜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）。這種膜可應(yīng)用于脫鹽，生物分離和其他領(lǐng)域。

機械工程副教授兼麻省理工學(xué)院制造與生產(chǎn)力實驗室主任John Hart說：“多年來，研究人員一直認(rèn)為石墨烯是生產(chǎn)超薄膜的潛在材料。我們相信這是*次將石墨烯的制造定制為膜應(yīng)用的研究，這就要求石墨烯材料無縫，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（“通過卷對卷化學(xué)氣相沉積和聚合物支撐鑄造的納米孔大面積原子級薄石墨烯膜的可擴展路線”）發(fā)表在《應(yīng)用材料與界面》上。該研究包括論文*作者，前任麻省理工學(xué)院博士后，現(xiàn)任范德比爾特大學(xué)助理教授Piran Kidambi，麻省理工學(xué)院研究生Dhanushkodi Mariappan和Nicholas Dee，新加坡國立大學(xué)的Sui Zhang，現(xiàn)任加州理工學(xué)院Skolkovo科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的前學(xué)生Andrey Vyatskikh以及麻省理工學(xué)院機械工程副教授Rohit Karnik。

石墨烯的生長

對于許多研究人員來說，石墨烯非常適合用于做過濾膜。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，使得該材料非常堅韌，即使是*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*地將它們與微小的孔或納米孔區(qū)分開來，其尺寸可以根據(jù)需要定制用以過濾特定的分子。大多數(shù)情況下，科學(xué)家通過化學(xué)氣相沉積的方法來合成石墨烯，該方法首先加熱銅箔，然后在其上沉積碳和其他氣體的混合物。

石墨烯基膜主要是在實驗室小批量生產(chǎn)，研究人員可以小心控制材料的生長條件。然而，Hart和他的同事們認(rèn)為，如果石墨烯薄膜被用于商業(yè)用途，它們將不得不以大批量，高速率和可靠的性能來生產(chǎn)

Hart說：“我們知道對于工業(yè)化來說，需要一個連續(xù)的過程，一片一片的生產(chǎn)無法滿足需求。商業(yè)上使用的膜片需求相當(dāng)大，有些甚至非常大，必須通過連續(xù)生產(chǎn)制作海報寬度的石墨烯薄膜�！�

工廠初次公開展出

研究人員著手建立從頭到尾的制造工藝來制造高質(zhì)量的石墨烯膜。

該團隊的設(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），采用普通石墨烯制造技術(shù)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以大批量，高速率生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯。該系統(tǒng)由兩個線軸組成，通過穿過小爐的傳送帶連接。*個卷軸展開一條長度不到1厘米寬的銅箔條。當(dāng)它進入爐子時，箔片通過*個管道，然后進入另一條線軸。

當(dāng)金屬箔通過*根管子時，它會加熱到一定的理想溫度，此時它已準(zhǔn)備好穿過第二根管子，科學(xué)家們在這里按指定比例的甲烷和氫氣進行泵送，加熱箔產(chǎn)生石墨烯

Hart說：“石墨烯開始是一塊一塊的形成，然后這些區(qū)域一起生長形成連續(xù)的薄片，當(dāng)它離開爐子時，石墨烯完全覆蓋成一層薄膜，就像一個連續(xù)的比薩餅皮�！�

當(dāng)石墨烯離開爐子時，它被卷到第二個線軸上。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*長的時間持續(xù)了將近四個小時，在此期間生產(chǎn)了約10米的連續(xù)石墨烯。

Hart說：“如果這是在一家工廠，它將每周7天，每天24小時不間斷生產(chǎn)，就像印刷機印刷過程一樣�！�

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