創(chuàng)新技術(shù)微波法制備石墨烯，為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用開拓新局面！

隨著科技的進(jìn)步，石墨烯作為一種新型材料，應(yīng)用前景廣闊。但是要高效、低成本地制備出優(yōu)質(zhì)的石墨烯一直是科研工作者的挑戰(zhàn)。近年來，微波法制備石墨烯成為了一種頗具潛力的創(chuàng)新技術(shù)。

微波法是一種高效的制備石墨烯的技術(shù)，利用微波輻射讓石墨烯前驅(qū)體材料中的氧化物分解，從而獲得高品質(zhì)、高純度的石墨烯。相比于傳統(tǒng)方法，微波法反應(yīng)速度快，溫度升降速度大，反應(yīng)條件易于控制。此外，微波法可以在室溫下進(jìn)行反應(yīng)，無需高溫爐，減少了能源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)了綠色環(huán)保制備石墨烯的目的。目前，微波法制備石墨烯已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如電池領(lǐng)域中制備高性能的石墨負(fù)極材料、傳感器領(lǐng)域中用于氣體檢測、催化劑領(lǐng)域中作為高效催化劑等領(lǐng)域。這些應(yīng)用不僅為石墨烯的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用開拓了新的局面，而且也為其在未來的更多領(lǐng)域應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

原理

微波是一種能量形式，在介質(zhì)中可以轉(zhuǎn)化為熱量。微波加熱時，微波能量通過微波吸收劑轉(zhuǎn)化為熱能。在這個過程中，熱從材料內(nèi)部產(chǎn)生而不是從外部吸收熱源，自身整體同時升溫，熱能利用率高，材料整體溫度梯度很小，區(qū)別于其他常規(guī)加熱方式。

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微波固相剝離法

微波固相剝離法是用微波對石墨前驅(qū)體進(jìn)行加熱，使其剝離成單層或多層的石墨烯。常用的前驅(qū)體有氧化石墨烯(Grapheme Oxide，GO)和膨脹石墨(Expanded Graphite，EG)。其原理是：GO的含氧官能團(tuán)和EG中摻雜的物質(zhì)在加熱過程中分解成氣體，當(dāng)這些氣體產(chǎn)生的壓力超過片層間的范德華力時，石墨層之間剝離開，從而得到石墨烯。

值得一提的是，微波固相剝離法的反應(yīng)過程相當(dāng)迅速，幾乎只需要數(shù)秒鐘至幾分鐘即可制備出石墨烯。與傳統(tǒng)方法相比，它具有反應(yīng)速度快、溫度升降速度大、反應(yīng)條件易于控制等特點(diǎn)，是一種高效的制備石墨烯的方法之一。

微波固相剝離法在石墨烯制備領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在電子學(xué)、光電領(lǐng)域，如制備半導(dǎo)體、晶體管、光電檢測器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。因以廉價的石墨或膨脹石墨為原料，避免了有機(jī)溶劑的使用，固相直接剝離法制備石墨烯具有成本低、生態(tài)友好、產(chǎn)品質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)前石墨烯制備領(lǐng)域備受關(guān)注和研究的一個方向。

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微波液相剝離法

微波液相剝離法通常是將前驅(qū)體先浸入溶劑中，再進(jìn)行微波加熱剝離。與固相直接進(jìn)行微波照射剝離不同，充當(dāng)剝離介質(zhì)的有機(jī)溶劑，促進(jìn)了微波的有效吸收，借助加熱或氣流的作用制備一定濃度的單層或多層石墨烯溶液。

液相剝離法得到的石墨烯，尺寸分布均勻，并能穩(wěn)定懸浮在反應(yīng)液中，因而可以繼續(xù)處理或者沉積在不同基板上供進(jìn)一步反應(yīng)。少量化學(xué)試劑的使用能制備高質(zhì)量的石墨烯，減少石墨烯的缺陷，但缺點(diǎn)是產(chǎn)率不高，而且石墨烯片層之間容易發(fā)生團(tuán)聚，另外引入的穩(wěn)定劑也需要去除，在一定程度上增加了成本，所以該方法在大量制備中受到一定的限制。

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微波等離子體化學(xué)氣相沉積法

微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法實驗原理為微波電源放電裂解氣源產(chǎn)生等離子體，再將裂解后的氣源沉積到基片上形成薄膜的過程。目前的研究主要集中在過渡金屬族襯底，金屬催化劑制備石墨烯有兩種生長機(jī)理：一種是碳原子吸附在過渡金屬(Cu、Au等)表面，然后擴(kuò)散、彼此碰撞結(jié)合生長石墨烯，這種情況下，石墨烯生長是一種表面介導(dǎo)的過程，直接沉積石墨烯；另一種形成石墨烯的方式主要為碳原子在金屬基底(Ni、Co、Mo等)溶解再析出的過程。碳?xì)浠衔锝怆x得到的原子碳首先溶解到基底里面，隨后逐漸降溫，基底中的碳原子沉積到表面聚集形成石墨烯，是一種間接方式，需要控制降溫階段實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的生長。

MPCVD法是制備大面積高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品的理想方法，采用微波激發(fā)等離子體，沒有電極污染，所激發(fā)的等離子體密度高，從而降低了石墨烯的生長溫度。雖然優(yōu)勢明顯但是制備的成本較高，能耗大，制備的樣品需要轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底材料會對石墨烯造成損傷，需要進(jìn)一步改善設(shè)備結(jié)構(gòu)和調(diào)整工藝來精確控制石墨烯的層數(shù)和均勻性，最好能夠直接在目標(biāo)襯底材料表面制備石墨烯。

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微波輔助電化學(xué)剝離

眾所周知，單壁碳納米管是由單層碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)，因此可以將單壁碳納米管展開得到單層石墨烯。Kim Woo Sik等以單壁碳納米管為原料，利用強(qiáng)直流脈沖沿納米管縱向破壞C—C鍵，破壞后的碳納米管在曲面張力的作用下，逐漸展開以降低表面能。展開后的碳納米管在范德華力的作用下很多層重疊在一起，然后將其浸入鉀的四氫呋喃(THF)溶液中，用微波進(jìn)行加熱，得到單層的石墨烯。但是，這種方法得到的石墨烯同樣混有含氧官能團(tuán)。Morales等為了避開強(qiáng)氧化作用，用電化學(xué)方法對石墨進(jìn)行預(yù)膨脹。用石墨片作為工作電極，氫電極作為參比電極，將兩個電極插入到高氯酸的水溶液中。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度，石墨電極上會產(chǎn)生H2分子(還有少量02、CO和GO)嵌入到石墨層中，起到促進(jìn)膨脹和剝離的作用，也就是預(yù)膨脹的過程。然后再將預(yù)膨脹的石墨電極在Ar氣氣氛中用功率為800 W微波加熱5～10 s，得到膨脹石墨（EG）。再將膨脹石墨EG浸入到Ⅳ一甲基一1一吡咯烷酮中超聲5 min，使其充分剝離的同時，又不會破壞碳原子之間的sp2軌道。最后，高速離心分離，棄去沉淀物，以保證剩下的最終產(chǎn)物是單層或者多層的石墨烯。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是避免了強(qiáng)氧化條件的作用，最終產(chǎn)物的含氧官能團(tuán)很少；而且，當(dāng)含氧官能團(tuán)在某些特殊功能方面被要求保留時，這種方法還可以控制產(chǎn)物中含氧官能團(tuán)的量。

總結(jié)

眾多研究表明，微波法在剝離Gr以及其衍生物或在CVD法應(yīng)用具有反應(yīng)周期短、高效率、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。直接剝離法能制備高質(zhì)量的石墨烯，但產(chǎn)率低、耗時長；CVD法可以制備出大面積且性能優(yōu)異的石墨烯薄膜材料，但存在制備的成本較高，樣品的均勻性和層數(shù)難以控制，制備的樣品需要轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底材料上等問題；而且微波法制備無機(jī)納米材料的機(jī)理并不十分明確，應(yīng)對其機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而為微波法輔助合成提供更加可靠的理論依據(jù)和實際指導(dǎo)，此外，由于表面修飾能改善或豐富石墨烯的各種性能，但也無可避免地對石墨烯的原始結(jié)構(gòu)造成無法修復(fù)的損傷，微波法能否提供更好的修飾方式，進(jìn)一步提高石墨烯各方面性能，從而促進(jìn)其復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用也是以后研究的重要方面。

微波法制備石墨烯是一項極具前景的研究領(lǐng)域，其應(yīng)用前景廣闊，對于促進(jìn)新能源、新材料等領(lǐng)域的發(fā)展都具有重要意義。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，微波法制備石墨烯將會呈現(xiàn)出更多的應(yīng)用與發(fā)展前景。