麻省理工学院开发新的高质量可扩展石墨烯膜连续制备工艺
发布时间：
2018-04-23
麻省理工学院的工程师已经开发出一种连续的制造工艺，可以生产长条高质量的石墨烯。该团队的研究结果首次证明了可用于制造高质量石墨烯的工业可扩展方法，该方法适用于过滤各种分子（包括盐、较大离子、蛋白质或纳米颗粒）的膜。这种膜应该用于脱盐、生物分离和其他应用。
“几年来，研究人员一直认为石墨烯是超薄膜的潜在途径，”机械工程副教授兼麻省理工学院制造与生产力实验室主任 hart说。“我们相信这是第一项量身定制石墨烯制造膜应用的研究，这需要石墨烯是无缝的，完全覆盖基材，并且质量很高。” hart是该论文的资深作者，该论文在《Applied Materials and Interfaces》期刊上发表。
生长石墨烯
对于许多研究人员来说，石墨烯非常适合用于过滤膜。单片石墨烯类似于原子状的细金属丝，由碳原子组成，碳原子以一种图案连接，使得该材料非常坚韧，即使是最小的原子氦也不会透过。
包括Karnik小组在内的研究人员已经开发出制造石墨烯薄膜的技术，并且用小孔或纳米孔精确地控制，其尺寸可以根据需要定制以过滤出特定的分子。大多数情况下，科学家通过称为化学气相沉积的方法来合成石墨烯。在这种过程中，他们首先加热铜箔样品，然后将碳和其他气体的混合物沉积在石墨烯上。
在实验室里，石墨烯基膜大多是小批量制造的，研究人员可以在那里仔细控制材料的生长条件。然而，hart和他的同事认为，如果石墨烯膜要在商业上使用，就必须以大量、高速率和可靠的性能生产。
hart说：“我们知道，对于工业化来说，这需要一个持续的过程。你不可能只做几块就够了。而在商业上使用的薄膜需要相当大--有些太大了，你必须把一张海报般宽的铝箔放到炉子里才能制造出薄膜。”
工厂推出
研究人员着手建立一个端到端，从头到尾的制造工艺来制造膜质量的石墨烯。该团队的设置结合了卷对卷方法，一种用于连续处理薄箔的常见工业方法，采用普通的石墨烯制造技术--化学气相沉积法，以大批量和高速率制造高质量的石墨烯。该系统由两个线轴组成，通过穿过小炉的传送带连接。第一个卷轴展开一条长度不到1厘米宽的铜箔条。当它进入炉子时，箔片通过第一个管道，然后是另一个，以“分区”设计进料。
当金属箔通过第一根管子时，它会加热到一定的理想温度，此时它已准备好穿过第二根管子，科学家们在这里按指定的甲烷和氢气比率泵入，并沉积到加热箔产生石墨烯。
“石墨烯开始在岛上形成，然后这些岛一起生长形成连续的薄片，”hart说。“当它离开烤炉时，石墨烯应该完全覆盖一层薄膜，就像一个连续的比萨饼床。”当石墨烯离开炉子时，它被卷到第二个线轴上。研究人员发现，他们能够通过该系统连续供给箔片，以每分钟5厘米的速度生产高质量的石墨烯。他们最长的时间持续了将近四个小时，在此期间他们产生了约10米的连续石墨烯。“如果这是在一家工厂，它将7*24小时运行，”hart说。“你可以像印刷机一样通过大卷轴纸。”
灵活的设计
一旦研究人员使用卷对卷方法生产石墨烯，他们从第二个卷轴上展开箔片并将小样本切出。他们使用由哈佛大学科学家开发的方法，用聚合物网或支持物来铸造样品，然后蚀刻下面的铜。
“如果不充分支撑石墨烯，它就会蜷缩起来，”Kidambi说。“所以你从下面蚀刻出铜，并用多孔聚合物直接支撑石墨烯，这基本上是一种膜。”聚合物覆盖的孔比石墨烯的孔大， hart说，石墨烯的孔是微观的“鼓头”，使石墨烯坚固，微孔开放。研究人员使用石墨烯膜进行扩散测试，将水、盐和其他分子的溶液流过每个膜。他们发现总体而言，膜能够承受流动，同时过滤出分子。它们的性能可与传统的小批量法制备的石墨烯膜相媲美。
该团队还以不同的速度运行该过程，使用不同比例的甲烷和氢气，并对每次运行后所得石墨烯的质量进行了表征。他们绘制了图表来展示石墨烯质量与制造工艺的速度和气体比率之间的关系。Kidambi如果其他设计师可以建造类似的装置，他们可以利用团队的设计来确定他们生产某种质量的石墨烯所需要的设置。
Kidambi说。“该系统为您提供了极大的灵活性，无论您希望如何调整石墨烯，从电子到薄膜应用都可以。”展望未来，hart表示，他希望找到方法，改善包括聚合物铸造和其他手动完成的步骤，以卷到卷的方式进行。hart说：“在端到端的流程中，我们需要将更多的业务整合到生产线中。目前，我们已经证明了这个过程可以扩大，我们希望这能增加人们对基于石墨烯的膜技术的信心和兴趣，并为商业化提供了一条途径。”
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