麻省理工學院開發新的高質量可擴展石墨烯膜連續制備工藝

麻省理工學院開發新的高質量可擴展石墨烯膜連續制備工藝

 麻省理工學院的工程師已經開發出一種連續的制造工藝，可以生產長條高質量的石墨烯。該團隊的研究結果首次證明了可用于制造高質量石墨烯的工業可擴展方法，該方法適用于過濾各種分子（包括鹽、較大離子、蛋白質或納米顆粒）的膜。這種膜應該用于脫鹽、生物分離和其他應用。

“幾年來，研究人員一直認為石墨烯是超薄膜的潛在途徑，”機械工程副教授兼麻省理工學院制造與生產力實驗室主任 hart說。“我們相信這是第一項量身定制石墨烯制造膜應用的研究，這需要石墨烯是無縫的，完全覆蓋基材，并且質量很高?！?hart是該論文的資深作者，該論文在《Applied Materials and Interfaces》期刊上發表。

生長石墨烯

對于許多研究人員來說，石墨烯非常適合用于過濾膜。單片石墨烯類似于原子狀的細金屬絲，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，即使是最小的原子氦也不會透過。

包括Karnik小組在內的研究人員已經開發出制造石墨烯薄膜的技術，并且用小孔或納米孔精確地控制，其尺寸可以根據需要定制以過濾出特定的分子。大多數情況下，科學家通過稱為化學氣相沉積的方法來合成石墨烯。在這種過程中，他們首先加熱銅箔樣品，然后將碳和其他氣體的混合物沉積在石墨烯上。

在實驗室里，石墨烯基膜大多是小批量制造的，研究人員可以在那里仔細控制材料的生長條件。然而，hart和他的同事認為，如果石墨烯膜要在商業上使用，就必須以大量、高速率和可靠的性能生產。

hart說：“我們知道，對于工業化來說，這需要一個持續的過程。你不可能只做幾塊就夠了。而在商業上使用的薄膜需要相當大--有些太大了，你必須把一張海報般寬的鋁箔放到爐子里才能制造出薄膜?！?br>
工廠推出

研究人員著手建立一個端到端，從頭到尾的制造工藝來制造膜質量的石墨烯。該團隊的設置結合了卷對卷方法，一種用于連續處理薄箔的常見工業方法，采用普通的石墨烯制造技術--化學氣相沉積法，以大批量和高速率制造高質量的石墨烯。該系統由兩個線軸組成，通過穿過小爐的傳送帶連接。第一個卷軸展開一條長度不到1厘米寬的銅箔條。當它進入爐子時，箔片通過第一個管道，然后是另一個，以“分區”設計進料。

當金屬箔通過第一根管子時，它會加熱到一定的理想溫度，此時它已準備好穿過第二根管子，科學家們在這里按指定的甲烷和氫氣比率泵入，并沉積到加熱箔產生石墨烯。

“石墨烯開始在島上形成，然后這些島一起生長形成連續的薄片，”hart說?！爱斔x開烤爐時，石墨烯應該完全覆蓋一層薄膜，就像一個連續的比薩餅床。”當石墨烯離開爐子時，它被卷到第二個線軸上。研究人員發現，他們能夠通過該系統連續供給箔片，以每分鐘5厘米的速度生產高質量的石墨烯。他們最長的時間持續了將近四個小時，在此期間他們產生了約10米的連續石墨烯。“如果這是在一家工廠，它將7*24小時運行，”hart說?！澳憧梢韵裼∷C一樣通過大卷軸紙?！?br>
靈活的設計

一旦研究人員使用卷對卷方法生產石墨烯，他們從第二個卷軸上展開箔片并將小樣本切出。他們使用由哈佛大學科學家開發的方法，用聚合物網或支持物來鑄造樣品，然后蝕刻下面的銅。

“如果不充分支撐石墨烯，它就會蜷縮起來，”Kidambi說?！八阅銖南旅嫖g刻出銅，并用多孔聚合物直接支撐石墨烯，這基本上是一種膜?！本酆衔锔采w的孔比石墨烯的孔大， hart說，石墨烯的孔是微觀的“鼓頭”，使石墨烯堅固，微孔開放。研究人員使用石墨烯膜進行擴散測試，將水、鹽和其他分子的溶液流過每個膜。他們發現總體而言，膜能夠承受流動，同時過濾出分子。它們的性能可與傳統的小批量法制備的石墨烯膜相媲美。

該團隊還以不同的速度運行該過程，使用不同比例的甲烷和氫氣，并對每次運行后所得石墨烯的質量進行了表征。他們繪制了圖表來展示石墨烯質量與制造工藝的速度和氣體比率之間的關系。Kidambi如果其他設計師可以建造類似的裝置，他們可以利用團隊的設計來確定他們生產某種質量的石墨烯所需要的設置。

Kidambi說。“該系統為您提供了極大的靈活性，無論您希望如何調整石墨烯，從電子到薄膜應用都可以?！闭雇磥?，hart表示，他希望找到方法，改善包括聚合物鑄造和其他手動完成的步驟，以卷到卷的方式進行。hart說：“在端到端的流程中，我們需要將更多的業務整合到生產線中。目前，我們已經證明了這個過程可以擴大，我們希望這能增加人們對基于石墨烯的膜技術的信心和興趣，并為商業化提供了一條途徑?！?/p>

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