近日,Nature Communications雜志刊發(fā)了化學化工學院趙亞平教授團隊的科研成果“Supercritical mechano-exfoliation process”,該成果報道了超臨界二氧化碳協(xié)同機械剝離(SCME)石墨制備石墨烯的綠色可持續(xù)技術(shù),有效解決了石墨烯生產(chǎn)中質(zhì)量、成本和產(chǎn)量之間的平衡問題。張浩博士生為論文的第一作者,趙亞平教授、譚慧君助理研究員為共同通訊作者。
小說《三體》中彰顯了“在相互競爭的因素間尋求平衡”的概念,這一理念同樣適用于科學與工業(yè)領(lǐng)域中多重優(yōu)先事項的協(xié)調(diào)。盡管石墨烯因其優(yōu)異的機械、熱和電學性能備受關(guān)注,但在工業(yè)化生產(chǎn)中也面臨著類似的問題,其性能、成本和產(chǎn)量三者之間的平衡始終是一個巨大的挑戰(zhàn)?,F(xiàn)有的生產(chǎn)方法各有優(yōu)劣:一些方法能制備高質(zhì)量的石墨烯,但成本效益或產(chǎn)量存在不足;而另一些方法盡管成本低、產(chǎn)量高,但產(chǎn)品質(zhì)量往往無法滿足要求。
為了應對這一工業(yè)化規(guī)模應用中的核心挑戰(zhàn),趙亞平團隊多年來致力于研究如何在質(zhì)量、成本和產(chǎn)量之間實現(xiàn)有效平衡。近日,該團隊創(chuàng)新性地建立了基于超臨界CO2 (SC CO2)協(xié)同機械剝離石墨制備石墨烯的綠色高效技術(shù) (SCME),為石墨烯的工業(yè)化應用提供了新的解決方案。SCME技術(shù)將SC CO2流體的獨特性質(zhì)與機械作用相結(jié)合,形成了雙重剝離機制:在宏觀層面,通過優(yōu)化研磨過程中的應力和碰撞頻率提高效率;在微觀層面上,SC CO2在剝離過程中產(chǎn)生高剪切應力,進一步增強了剝離效果,同時保持了石墨烯原有的結(jié)構(gòu),確保了產(chǎn)品的高質(zhì)量。
圖1 SCME工藝剝離后石墨烯的結(jié)構(gòu)及形貌
研究結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)SC CO2的密度和其他參數(shù)(如填充因子、球料比、轉(zhuǎn)速比、時間和轉(zhuǎn)速等),可以在一個工藝周期內(nèi)對石墨烯的產(chǎn)率和質(zhì)量進行連續(xù)調(diào)控,從而實現(xiàn)最佳的剝離效率。實驗室規(guī)模和中試規(guī)模的生產(chǎn)都驗證了這一理論。如圖1所示,X射線衍射、拉曼光譜、X射線光電子能譜等結(jié)構(gòu)表征證實所制備的石墨烯結(jié)構(gòu)完整、缺陷少、層數(shù)低,表明了SCME工藝的有效性。SCME工藝在實驗室規(guī)模 (0.06-0.2 kg) 和中試規(guī)模 (>4 kg) 下實現(xiàn)了超過40 kg/(m3·day)的石墨烯粉末時空產(chǎn)率,所制備的自支撐石墨烯膜導電性高達5.26 × 105 S/m,證明了SCME工藝在工業(yè)應用中的潛力。
圖2 SCME剝離工藝的機理
此外,本研究還采用了計算流體力學-離散元方法 (CFD-DEM) 模擬和分子動力學(MD)模擬來探究SCME剝離的微觀機制(圖2)。研究發(fā)現(xiàn),SC CO2的密度對剝離效果有顯著影響,高密度的CO2有助于保護石墨烯的橫向尺寸,減少應力能量的影響。進一步的動力學研究還提出了球磨輔助剝離的剝離機制,包括宏觀上對質(zhì)量傳遞頻率和應力分布的優(yōu)化能力,以及微觀上剝離介質(zhì)對剪切剝離的增強效應。
圖3 SCME工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析
技術(shù)經(jīng)濟分析(圖3)表明,SCME工藝集剝離、分離和純化為一體,整個工藝的生命周期不涉及有機溶劑和氧化劑的使用,在大規(guī)模生產(chǎn)中具有經(jīng)濟可行性。綜合設(shè)備、能源消耗和原材料成本等因素對其在不同銷售價格和銷售量下的經(jīng)濟效益進行分析發(fā)現(xiàn),SCME過程在成本和產(chǎn)量上具有競爭優(yōu)勢。該方法為石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)及其在下游產(chǎn)業(yè)鏈中的規(guī)?;瘧锰峁┝艘粭l綠色可持續(xù)的新路徑。該工作得到了政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項支持(2017YFE0127100)。
論文連接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-53810-4
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