改良石墨烯增产的制取方法

文四川省绵阳中学实验学校2016级23班 李鸣禧

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料，所以又叫单原子层石墨。由于具备良好的强度、韧性，导电、导热性能及光学特性，石墨烯在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。

虽然科学家已经发现并成功获得了石墨烯，但现阶段工业生产石墨烯的效率低、成本高，使得石墨烯的价格一直居高不下，不利于石墨烯产业的发展。

目前，石墨烯的主要制取方法有粉体生产法和薄膜生产法。粉体生产法主要有机械剥离法、氧化还原法、SIC外延法，薄膜生产法主要是化学气相沉积法。

粉体生产法中的机械剥离法效率过低，氧化还原法生产出的石墨烯质量不好，SIC外延法对设备的要求较高。化学气相沉积法的成本较高，工艺也不完善。

我想对粉体生产法中的机械剥离法进行改良。2004年，科学家在一次偶然的情况下想到用胶粘石墨，把胶撕下来就能得到一片石墨烯。既然可以用胶粘下一片石墨烯，我们能不能也想一种方法，一层层地将石墨烯从石墨上剥离？

一、设计方案

图1

1.如图1所示，将一块石墨放进水中，要求此石墨的每一层都处于水平位置。

2.将其冷冻，待水结冰后拿出，削去上层的冰块，让石墨的顶端平面与冰面在同一平面上。

3.用一块加热到一定温度（此温度需要实验测得，为最佳温度）的铁片（或其他材质，此材质的最终确定也需进行实验），将其置于冰的表面高速滑过。稍加热铁片，所得石墨烯会自动从铁片脱落。

4.重复以上操作，可制得大量石墨烯。

二、设计原理

图2

如图2所示，深色球为水分子（此时为冰），浅色球为碳原子，AB为铁片。当铁片加热后飞速滑过冰冻后的石墨表面时，冰刚好融化一层（此过程的温度与铁片滑过的速度应精确控制），此时的第一层碳原子会吸附在铁片上，因为水平方向有较大的摩擦力（如同两片中间有水的玻璃，由于大气压力与分子间作用力的共同作用，其间的吸附力与摩擦力都很大），铁片将带动第一层碳原子与它一起运动，可第一层碳原子又与第二层碳原子间有范德华力，使得第一层碳原子想带动下面几层一起运动。

由于石墨材料分层结构的特性，层间范德华力较弱，且第二层冰未融化继而阻止了第二层碳原子的移动，所以第一层碳原子就从碳块上脱离到高速运动的铁片上。

加热的铁片冷却后，由于石墨烯与铁片在受热时形变不同，石墨烯部分位置与铁片发生相对滑动且两者之间的大气压力消失，使得石墨烯从铁片上脱落，从而制得大量石墨烯。