Получаване на графен у дома. Физични свойства на графена
До миналата година единственият начин, известен на науката за производство на графен, беше да се нанесе най-тънкият слой графит върху самозалепваща лента и след това да се отстрани основата. Тази техника се нарича "техника на скоч лента". Наскоро обаче учените откриха, че има по-ефективен начин за получаване на нов материал: като основа започнаха да използват слой от мед, никел или силиций, който след това се отстранява чрез ецване (фиг. 2). По този начин правоъгълни листове от графен с ширина 76 сантиметра бяха създадени от екип учени от Корея, Япония и Сингапур. Изследователите не само поставиха своеобразен рекорд за размера на парче от еднослойна структура от въглеродни атоми, но и създадоха чувствителни екрани, базирани на гъвкави листове.
Фигура 2: Получаване на графен чрез ецване
За първи път графеновите "люспи" са получени от физиците едва през 2004 г., когато размерът им е само 10 микрометра. Преди година екипът на Родни Руоф от Тексаския университет в Остин обяви, че са успели да създадат "изрезки" от сантиметър от графен.
Руоф и колегите му отлагат въглеродни атоми върху медно фолио, използвайки химическо отлагане на пари (CVD). Изследователи в лабораторията на професор Бюн Хи Хонг от университета Sunkhyunkhwan отидоха по-далеч и увеличиха листовете до размера на пълноценен екран. Новата технология “roll” (обработка roll-to-roll) дава възможност за получаване на дълга лента от графен (фиг. 3).
Фигура 3: Трансмисионно електронно микроскопско изображение с висока разделителна способност на подредени графенови слоеве.
Върху графеновите листове на физиката се поставя слой от адхезивен полимер, медните субстрати се разтварят, след което полимерният филм се отделя - получава се единичен слой графен. За да придадат на листовете по-голяма здравина, учените по същия начин "отгледаха" още три слоя графен. Накрая полученият "сандвич" беше обработен азотна киселина- за подобряване на проводимостта. Чисто нов графенов лист се поставя върху полиестерен субстрат и се прекарва между нагрети ролки (фиг. 4).
Фигура 4: Ролкова технология за получаване на графен
Получената структура пропускала 90% от светлината и имала електрическо съпротивление, по-ниско от това на стандартния, но все пак много скъп, прозрачен проводник, индиев калаен оксид (ITO). Между другото, използвайки листове от графен като основа на сензорните дисплеи, изследователите установиха, че тяхната структура също е по-малко крехка.
Вярно е, че въпреки всички постижения комерсиализацията на технологиите все още е много далеч. Прозрачните филми с въглеродни нанотръби се опитват да изместят ITO от доста време, но производителите не могат да заобиколят проблема с "мъртвите пиксели", които се появяват върху дефектите на филма.
Използването на графени в електротехниката и електрониката
Яркостта на пикселите в плоските екрани се определя от напрежението между два електрода, единият от които е обърнат към зрителя (фиг. 5). Тези електроди трябва да са прозрачни. Понастоящем за производството на прозрачни електроди се използва легиран с калай индиев оксид (ITO), но ITO е скъп и не е най-стабилният материал. Освен това светът скоро ще изчерпи запасите си от индий. Графенът е по-прозрачен и по-стабилен от ITO и вече е демонстриран LCD графенов електрод.
Фигура 5: Яркостта на графеновите екрани като функция от приложеното напрежение
Материалът има голям потенциал и в други области на електрониката. През април 2008 г. учени от Манчестър демонстрираха най-малкия графенов транзистор в света. Съвършено правилният слой графен контролира съпротивлението на материала, превръщайки го в диелектрик. Става възможно да се създаде микроскопичен превключвател за захранване за високоскоростен нанотранзистор, който да контролира движението на отделни електрони. Колкото по-малки са транзисторите в микропроцесорите, толкова по-бърз е той и учените се надяват, че графеновите транзистори в компютрите на бъдещето ще бъдат с размерите на молекула, като се има предвид, че съвременната технология на силициевите микротранзистори почти е достигнала своя предел.
Графенът е не само отличен проводник на електричество. Той има най-висока топлопроводимост: атомните вибрации лесно се разпространяват през въглеродната мрежа на клетъчната структура. Разсейването на топлината в електрониката е сериозен проблем, защото има ограничения за високите температури, които електрониката може да издържи. Учени от Университета на Илинойс обаче откриха, че транзисторите, базирани на графен, имат интересно свойство. Те проявяват термоелектричен ефект, водещ до намаляване на температурата на устройството. Това може да означава, че базираната на графен електроника ще направи радиаторите и вентилаторите нещо от миналото. По този начин привлекателността на графена като обещаващ материал за микросхеми на бъдещето допълнително нараства (фиг. 6).
Фигура 6: Атомно-силова микроскопска сонда, сканираща повърхността на контакт графен-метал за измерване на температурата.
Не беше лесно за учените да измерят топлопроводимостта на графена. Те изобретиха изцяло нов начин за измерване на температурата му чрез поставяне на графенов филм с дължина 3 микрона върху точно същата малка дупка в кристал от силициев диоксид. След това филмът се нагрява лазерен лъчкарайки го да вибрира. Тези вибрации помогнаха за изчисляване на температурата и топлопроводимостта.
Изобретателността на учените не познава граници, когато става въпрос за използване на феноменалните свойства на ново вещество. През август 2007 г. е създаден най-чувствителният от всички възможни сензори, базирани на него. Той е в състояние да реагира на една газова молекула, което ще помогне да се открие наличието на токсини или експлозиви навреме. Извънземните молекули мирно се спускат в графенова мрежа, избиват електрони от нея или ги добавят. В резултат на това електрическото съпротивление на графеновия слой се променя, което се измерва от учените. Дори и най-малките молекули са уловени от силната графенова мрежа. През септември 2008 г. учени от университета Корнел в САЩ демонстрираха как графенова мембрана, подобно на най-тънкия балон, се надува поради разлика в налягането от няколко атмосфери от двете й страни. Тази характеристика на графена може да бъде полезна при определяне на потока на различни химична реакцияи изобщо в изследването на поведението на атомите и молекулите.
Получаването на големи листове от чист графен все още е много трудно, но задачата може да бъде опростена, ако въглеродният слой се смеси с други елементи. В Северозападния университет в Съединените щати графитът се окислява и се разтваря във вода. Резултатът беше материал, подобен на хартия – хартия от графенов оксид (фиг. 7). Много е труден и доста лесен за приготвяне. Графеновият оксид е подходящ като издръжлива мембрана в батерии и горивни клетки.
Фигура 7: Хартия с графенов оксид
Графеновата мембрана е идеален субстрат за обекти на изследване под електронен микроскоп. Безупречните клетки се сливат в изображения в еднороден сив фон, на който ясно се открояват други атоми. Досега беше почти невъзможно да се разграничат най-леките атоми в електронен микроскоп, но с графен като субстрат могат да се видят дори малки водородни атоми.
Възможностите за използване на графен са безкрайни. Наскоро физици от Северозападния университет в САЩ разбраха, че графенът може да се смесва с пластмаса. Резултатът е тънък, супер здрав материал, който издържа на високи температури и е непроницаем за газове и течности.
Обхватът на приложение е производството на леки бензиностанции, резервни части за автомобили и самолети, издръжливи перки на вятърни турбини. Пластмасата може да се използва за опаковане на хранителни продукти, запазвайки ги свежи за дълго време.
Графенът е не само най-тънкият, но и най-издръжливият материал в света. Учени от Колумбийския университет в Ню Йорк потвърдиха това, като поставиха графен върху малки дупки в силициев кристал. След това, чрез натискане на най-тънката диамантена игла, те се опитаха да разрушат графеновия слой и измериха силата на натиск (фиг. 8). Оказа се, че графенът е 200 пъти по-здрав от стоманата. Ако си представите графенов слой, дебел като залепващо фолио, той би издържал на натиска на върха на молив, в противоположния край на който ще балансира слон или кола.
Фигура 8: Натиск върху графенова диамантена игла
Графенови влакна под сканиращ електронен микроскоп. Чистият графен се извлича от графенов оксид (GO) в микровълнова фурна. Мащаб 40 µm (вляво) и 10 µm (вдясно). Снимка: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University
Графенът е 2D модификация на въглерод, образуван от слой с дебелина един въглероден атом. Материалът има висока якост, висока топлопроводимост и уникален физични и химични свойства. Той показва най-високата подвижност на електрони от всеки известен материал на Земята. Това прави графена почти идеален материал за голямо разнообразие от приложения, включително електроника, катализатори, батерии, композитни материали и др. Въпросът е малък - да се научите как да получавате висококачествени графенови слоеве в индустриален мащаб.
Химици от университета Rutgers (САЩ) са открили просто и бърз методпроизводство на висококачествен графен чрез обработка на графенов оксид в конвенционална микровълнова фурна. Методът е изненадващо примитивен и ефективен.
Графитният оксид е съединение от въглерод, водород и кислород в различни пропорции, което се образува, когато графитът се третира със силни окислители. За да се отървете от останалия кислород в графитния оксид и след това да получите чист графен в двуизмерни листове, изисква значителни усилия.
Графитният оксид се смесва със силни основи и материалът се редуцира допълнително. В резултат на това се получават мономолекулни листове с кислородни остатъци. Тези листове обикновено се наричат графенов оксид (GO). Химиците са опитали различни начиниотстраняване на излишния кислород от GO ( , , , ), но GO (rGO), редуциран с такива методи, остава силно неуреден материал, който по своите свойства е далеч от истинския чист графен, получен чрез химическо отлагане на пари (CVD).
Дори в своята неуредена форма, rGO има потенциала да бъде полезен за енергийни носители ( , , , , ) и катализатори ( , , , ), но за да извлечете максимума от уникалните свойства на графена в електрониката, трябва да научите как за да получите чист висококачествен графен от GO.
Химиците от университета Rutgers предлагат проста и бърз начинредукция на GO до чист графен с помощта на 1-2 секунди микровълнови импулси. Както може да се види от графиките, графенът, получен чрез „микровълнова редукция“ (MW-rGO), е много по-близък по своите свойства до най-чистия графен, получен чрез CVD.
Физически характеристики на MW-rGO в сравнение с девствения графенов оксид GO, редуциран графенов оксид rGO и графен с химическо отлагане на пари (CVD). Показани са типични GO люспи, отложени върху силициев субстрат (А); Рентгенова фотоелектронна спектроскопия (В); Раманова спектроскопия и съотношението на размера на кристала (L a) към съотношението на пика l 2D /l G в рамановия спектър за MW-rGO, GO и CVD.
Електронни и електрокаталитични свойства на MW-rGO в сравнение с rGO. Илюстрации: Университет Рутгерс
Техническият процес за получаване на MW-rGO се състои от няколко етапа.
- Окисление на графит по модифицирания метод на Хамърс и разтварянето му до еднослойни люспи от графенов оксид във вода.
- GO отгряване, за да направите материала по-податлив на микровълново облъчване.
- Облъчване на люспи GO в конвенционална 1000W микровълнова фурна за 1-2 секунди. По време на тази процедура GO бързо се нагрява до висока температура, настъпва десорбция на кислородни групи и отлично структуриране на въглеродната решетка.
Изображенията с трансмисионен електронен микроскоп показват структурата на графеновите листове с мащаб от 1 nm. Отляво е еднослоен rGO с много дефекти, включително кислородни функционални групи (синя стрелка) и дупки във въглеродния слой (червена стрелка). В центъра и вдясно има перфектно структуриран двуслоен и трислоен MW-rGO. Снимка: Rutgers University
прекрасна структурни свойства MW-rGO, когато се използва в транзистори с полеви ефект, може да увеличи максималната подвижност на електроните до около 1500 cm 2 /Vs, което е сравнимо с изключителната производителност на съвременните транзистори с висока подвижност на електрони.
В допълнение към електрониката, MW-rGO е полезен при производството на катализатори: той показва изключително ниска стойност на коефициента на Tafel, когато се използва като катализатор в реакцията на отделяне на кислород: около 38 mV на десетилетие. Катализаторът MW-rGO също остава стабилен в реакцията на отделяне на водород, която продължава над 100 часа.
Всичко това предполага отличен потенциал за използване на графен с микровълнова печка в индустрията.
научна статия „Висококачествен графен чрез микровълнова редукция на ексфолиран в разтвор графенов оксид“публикувано на 1 септември 2016 г. в списанието наука(doi: 10.1126/science.aah3398).
Графенът е най-издръжливият материал на земята. 300 пъти по-здрава от стоманата. Един лист графен квадратен метъри дебелина само от един атом, способен да задържи обект с тегло 4 килограма. Графенът, като салфетка, може да се огъва, сгъва, разтяга. Хартиената салфетка се разкъсва в ръцете. Това няма да се случи с графен.
Други форми на въглерод: графен, подсилен - подсилващ графен , карабина, диамант, фулерен, въглеродни нанотръби, мустаци.
Описание на графен:
Графенът е двуизмерна алотропна форма на въглерод, в която атомите, комбинирани в хексагонална кристална решетка, образуват слой с дебелина един атом. Въглеродните атоми в графена са свързани помежду си чрез sp 2 връзки. Графенът е буквално материя дрехата.
Въглеродът има много алотропи. Някои от тях, напр. диаманти графит, са известни от дълго време, докато други са открити сравнително наскоро (преди 10-15 години) - фулерении въглеродни нанотръби. Трябва да се отбележи, че графитът, познат от много десетилетия, е купчина графенови листове, т.е. съдържа няколко графенови равнини.
На базата на графен са получени нови вещества: графенов оксид, графен хидрид (наречен графан) и флуорографен (продукт на реакцията на графен с флуор).
Графенът има уникални свойствакоето позволява да се използва в различни области.
Свойства и предимства на графена:
Графенът е най-издръжливият материал на земята. 300 пъти по-силен да стане. Лист от графен с площ от един квадратен метър и дебелина само един атом е в състояние да задържи обект с тегло 4 килограма. Графенът, като салфетка, може да се огъва, сгъва, разтяга. Хартиената салфетка се разкъсва в ръцете. Това няма да се случи с графен.
– благодарение на двуизмерната структура на графена, той е много гъвкав материал, което ще му позволи да се използва например за тъкане на нишки и други въжени конструкции. В същото време тънко графеново „въже“ ще бъде подобно по сила на дебело и тежко стоманено въже,
- при определени условия графенът активира друга способност, която му позволява да "лекува" "дупки" в кристалната си структура в случай на повреда,
– Графенът има по-висока електрическа проводимост. Графенът практически няма устойчивост. Графенът има 70 пъти по-висока подвижност на електрони от силиций. Скоростта на електроните в графена е 10 000 km/s, въпреки че в конвенционален проводник скоростта на електроните е около 100 m/s.
- има висок електрически капацитет.Специфичният енергиен капацитет на графена се приближава до 65 kWh/kg. Тази цифра е 47 пъти по-висока от тази на вече толкова разпространените литиево-йонни батерии. акумулатори,
– има висока топлопроводимост. Той е 10 пъти по-топлопроводим медни,
- характеризира се с пълна оптична прозрачност. Поглъща само 2,3% светлина,
– графеновото фолио позволява на водните молекули да преминават и в същото време задържа всички останали, което позволява да се използва като воден филтър,
- най-лекия материал. 6 пъти по-лек от писалка
– инерция към заобикаляща среда,
- абсорбира радиоактивни отпадъци,
– благодарение на Брауново движение(термични вибрации) на въглеродни атоми в графенов лист, последният е в състояние да "произвежда" електрическа енергия,
- е основата за сглобяването на различни не само независими двуизмерни материали, но и многослойни двуизмерни хетероструктури.
Физични свойства на графена*:
*на стайна температура.
Получаване на графен:
Основните начини за получаване на графен са:
– микромеханично ексфолиране на графитни слоеве (метод Новоселов - метод на лепяща лента). Графитна проба се поставя между ленти от тиксо и последователно се отлепва от слоевете, докато остане последният. тънък слой, изработен от графен,
– дисперсия графитв водни среди,
– механично ексфолиране;
– епитаксиален растеж във вакуум;
– химическо парно фазово охлаждане (CVD процес),
– методът на "изпотяване" на въглерода от разтвори в метали или по време на разлагането на карбиди.
Получаване на графен у дома:
Трябва да вземете кухненски блендер с мощност най-малко 400 вата. В купата на блендера се изсипват 500 мл вода, като към течността се добавят 10-25 милилитра всякакъв препарат и 20-50 грама натрошен молив. След това блендерът трябва да работи от 10 минути до половин час, докато се появи суспензия от графенови люспи. Полученият материал ще има висока проводимост, което ще му позволи да се използва във фотоклетъчни електроди. Графенът, произведен у дома, също може да подобри свойствата на пластмасата.
Приложения на графен:
– слънчева енергия,
– пречистване на вода, филтриране на вода, обезсоляване морска вода,
– електроника (LCD монитори, транзистори, микросхеми и др.),
– в батериите и енергийните източници. Графеновата батерия позволява на автомобила да преодолее 1000 км без презареждане, чието време за зареждане е не повече от 16 секунди,
– лекарството. Учените са открили, че графеновите люспи от графенов оксид ускоряват възпроизвеждането на стволовите клетки и регенерацията на костните клетки,
– създаване на суперкомпозити,
– пречистване на водата от радиоактивно замърсяване. Графеновият оксид бързо премахва радиоактивните вещества от замърсената вода. Люспите от графенов оксид бързо се свързват с естествени и изкуствени радиоизотопи и ги кондензират в твърди вещества. Самите люспи са течноразтворими и лесно се произвеждат в търговската мрежа.
как да си направим графен уикипедия материал свойства на батерията аерогел въглерод графит купете цена видео русия презентация плътност
техническо приложение откриване получаване технология производствена структура изобретение на графен в LED устройства главен нож
Коефициент на търсене 1 729
Анкети
Има ли нужда страната ни от индустриализация?
- Да, правя (90%, 2486 гласа)
- Не, не е необходимо (6%, 178 гласа)
- Не знам (4%, 77 гласа)
Търсене на технологии
Открити технологии 1
Може да е интересно:
-
Дистанционната фосфорна технология е начин за производство на бяла светлина в резултат на...
Графенът е революционен материал на 21-ви век. Това е най-здравата, лека и електропроводима версия на въглеродното свързване.
Графенът е открит от Константин Новоселов и Андрей Гейм, работещи в Манчестърския университет, за което са наградени руски учени Нобелова награда. Към днешна дата около десет милиарда долара са отделени за изследване на свойствата на графена в продължение на десет години и има слухове, че той може да бъде отличен заместител на силиция, особено в полупроводниковата индустрия.
Въпреки това, двуизмерна структура като този въглероден материал е предвидена и за други елементи в периодичната таблица. химични елементии много необичайните свойства на едно от тези вещества бяха проучени наскоро. И това вещество се нарича "син фосфор".
Руските туземци, работещи във Великобритания, Константин Новоселов и Андрей Гейм, създадоха графен - полупрозрачен слой въглерод с дебелина един атом - през 2004 г. От този момент почти веднага и навсякъде започнахме да чуваме хвалебствени оди за най-различни невероятни свойстваматериал с потенциал да промени нашия свят и да намери своето приложение в най-много различни области, вариращи от производството на квантови компютри до производството на филтри за получаване на чист пия вода. Изминаха 15 години, но светът под влиянието на графена не се промени. Защо?