麻省理工研发出石墨烯连续生产工艺 - 中国粉体网

2018-05-11 04:06:16 5

中国粉体网讯  麻省理工学院的工程师开发出了一种生产高质量长条状石墨烯的制造工艺。


该团队的研究成果首次展示了一种可产业化、规模化制造高质量石墨烯的生产工艺,用该方法生产的石墨烯膜适用于过滤各种分子(包括盐,较大离子,蛋白质或纳米颗粒)。这种膜可应用于脱盐,生物分离和其他领域。


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JohnHart说:“多年来,研究人员一直认为石墨烯是生产超薄膜的潜在材料。我们相信这是第一次将石墨烯的制造定制为膜应用的研究,这就要求石墨烯材料无缝,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(“通过卷对卷化学气相沉积和聚合物支撑铸造的纳米孔大面积原子级薄石墨烯膜的可扩展路线”)发表在《应用材料与界面》上。该研究包括论文第一作者,前任麻省理工学院博士后,现任范德比尔特大学助理教授PiranKidambi,麻省理工学院研究生DhanushkodiMariappan和NicholasDee,新加坡国立大学的SuiZhang,现任加州理工学院Skolkovo科学与技术学院的前学生AndreyVyatskikh以及麻省理工学院机械工程副教授RohitKarnik。


石墨烯的生长


对于许多研究人员来说,石墨烯非常适合用于做过滤膜。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,并精确地将它们与微小的孔或纳米孔区分开来,其尺寸可以根据需要定制用以过滤特定的分子。大多数情况下,科学家通过化学气相沉积的方法来合成石墨烯,该方法首先加热铜箔,然后在其上沉积碳和其他气体的混合物。


石墨烯基膜主要是在实验室小批量生产,研究人员可以小心控制材料的生长条件。然而,Hart和他的同事们认为,如果石墨烯薄膜被用于商业用途,它们将不得不以大批量,高速率和可靠的性能来生产


Hart说:“我们知道对于工业化来说,需要一个连续的过程,一片一片的生产无法满足需求。商业上使用的膜片需求相当大,有些甚至非常大,必须通过连续生产制作海报宽度的石墨烯薄膜。”


工厂初次公开展出


研究人员着手建立从头到尾的制造工艺来制造高质量的石墨烯膜。


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),采用普通石墨烯制造技术的化学气相沉积技术,以大批量,高速率生产高质量石墨烯。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,然后进入另一条线轴。


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比例的甲烷和氢气进行泵送,加热箔产生石墨烯


Hart说:“石墨烯开始是一块一块的形成,然后这些区域一起生长形成连续的薄片,当它离开炉子时,石墨烯完全覆盖成一层薄膜,就像一个连续的比萨饼皮。”


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,在此期间生产了约10米的连续石墨烯。


Hart说:“如果这是在一家工厂,它将每周7天,每天24小时不间断生产,就像印刷机印刷过程一样。”