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[交流]
如何低成本合成石墨烯？
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這幾天，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)又開始信心膨脹了，因?yàn)�，美國Tesla公司的純電動(dòng)豪華跑車在美國市場上成為寶馬、奔馳汽油豪車的殺手，并因此使Tesla公司2013年第一季度首次盈利1000多萬USD，成為世界上第一個(gè)盈利的新能源汽車企業(yè)。 據(jù)說，Tesla現(xiàn)在的電動(dòng)豪車處境，就像2007年蘋果剛推出的iPhone時(shí)對手機(jī)行業(yè)的血洗沖擊。 電動(dòng)汽車最大的瓶頸是安全、快速充放電的低成本動(dòng)力電池，國內(nèi)現(xiàn)在還是一片空白。這和有機(jī)合成有啥關(guān)系？ 高性能動(dòng)力電池的核心是電極新材料創(chuàng)新，這個(gè)必須懂有機(jī)合成的人，才有能力完成，國內(nèi)多如牛毛的電化學(xué)技術(shù)人員，99%不懂有機(jī)合成，盡管做電池很熟練，但不懂新材料合成，只能做你的副手，幫你測試組裝電池。 我要提到石墨烯，是因?yàn)槭┦侵苽涓咝阅艹潆婋姵仉姌O的優(yōu)選材料。半年前，我不看好石墨烯，3000元/kg的高價(jià)用不起，感覺是忽悠人的，只能發(fā)發(fā)paper。不過最近看法改變了。 石墨烯如果接上能聚合的烯鍵，就可以很容易地聚合成各種高性能導(dǎo)電電極導(dǎo)電骨架，這樣就能大幅改善動(dòng)力電池性能，例如 1：降低電極電阻： 改善大電流充放電能力，提高充放電速度 2：克服錳酸鋰高溫缺陷，錳酸鋰不能深度放電，否則錳酸鋰骨架會(huì)斷裂，導(dǎo)致循環(huán)性能迅速下降。有了石墨烯導(dǎo)電骨架，錳酸鋰斷裂了也不影響充放電循環(huán)。 做過有機(jī)合成的人，再看石墨烯的合成，就是小菜一碟，簡單的不能再簡單了，就是強(qiáng)酸氧化——分散——水合肼還原，賣3000元/kg真是天價(jià)，就這幾步反應(yīng)，只要懂有機(jī)合成的人參與，石墨烯很快會(huì)降到100元/kg。 上述方法合成出來的石墨烯，沒有功能基團(tuán)，應(yīng)用價(jià)值不大，只能作為炭黑一樣的添加劑。如何接枝有機(jī)功能基團(tuán)，才體現(xiàn)有機(jī)合成技術(shù)的水平，提升石墨烯產(chǎn)品附加值。 綜合最近的文獻(xiàn)，從有機(jī)合成的角度，石墨烯的合成原理如下： 1：要合成石墨烯，先要將石墨粉氧化為氧化石墨GO（graphite oxide）： 石墨烯就是一個(gè)超大的多環(huán)芳香烴，要氧化石墨粉，相當(dāng)于苯環(huán)羥基化合成苯酚，因此現(xiàn)有Nature、JACS等報(bào)道方法用濃硫酸/濃硝酸/KMnO4等強(qiáng)氧化手段氧化石墨粉，顯得水平很差，污染超級嚴(yán)重，按照這種污染量，石墨烯是根本無法量產(chǎn)的。我個(gè)人推斷，根據(jù)苯氧化為苯酚的有機(jī)合成手段，各位有機(jī)合成高手應(yīng)該能發(fā)展出清潔的氧化方法，這是一篇至少能上JACS的文章，也具有巨大的工業(yè)價(jià)值和個(gè)人回報(bào)。 2：接枝功能基團(tuán)： 沒有功能基團(tuán)的石墨烯，只能作為添加劑，功能用途很有限，例如：分散加入聚氨酯中，改善導(dǎo)電性，成為抗靜電聚氨酯。 我目前急需的是在石墨烯上接枝能聚合的烯鍵，以便能將像面粉一樣的石墨烯聚合成各種形狀的石墨烯材料，我們的目標(biāo)是用于高性能動(dòng)力電池，在中國也誕生一家像Tesla這樣的公司。 浙大2013年4月報(bào)道了一種石墨烯碳海綿，能強(qiáng)烈吸收柴油，如果采用帶聚合烯鍵的石墨烯，這種碳海綿能輕而易舉的開發(fā)出來。 今天感看到一個(gè)石墨烯油墨3D打印電子設(shè)備的新聞報(bào)道： http://stock.eastmoney.com/news/1405,20130516292018756.html 通過石墨烯油墨的3D打印，來制造電子設(shè)備的電子線路。 這種技術(shù)并不難，有聚合基團(tuán)的納米級的石墨烯，做成油墨后，打印完通過加熱或光照聚合成各種形狀的導(dǎo)電聚合物。 只要石墨烯成本低廉，前途無量啊 石墨烯合成改造.JPG |
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chemindole: 金幣+10, 非常精彩 2013-05-16 15:41:51
chemindole: 金幣+10, 非常精彩 2013-05-16 15:41:51
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樓主應(yīng)該是沒合成過GO吧。首先graphene oxide和graphite oxide是不一樣的，前者在后者的基礎(chǔ)上需要透析除金屬離子，超聲剝離，離心分離。 graphite oxidation和把苯氧化成苯酚也是不一樣的，因?yàn)間raphite在水中的分散性基本上為0，這種反應(yīng)必須通過更大的能量（heating or microwave）促進(jìn)不同相之間反應(yīng)，因而需要強(qiáng)氧化劑。 此外，GO合成過程中最耗時(shí)的步驟不是氧化，而是剝離和透析。通常氧化大概一個(gè)下午就做完了，透析需要3到4周，而合成10g的GO大概需要離心1-2周（耐心和體力，一個(gè)也少不了）。所以絕對不是來個(gè)學(xué)有機(jī)的分分鐘就搞出來的。。 |
2樓2013-05-16 15:36:58
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謝謝，我們的方向： 清潔、低成本 由于羥基自由基能氧化所有有機(jī)芳香環(huán)，因此重點(diǎn)是如何循環(huán)產(chǎn)生羥基自由基。我可以簡單說一下方法： 估計(jì)這是一篇JACS大作。 我們選擇CF3SO3H，電解產(chǎn)生的過氧CF3SO3-O3SCF3不溶于水，過氧物回流注入填充微晶石墨粉的固定柱，能和石墨層間親油接觸，加熱到30~40度就能產(chǎn)生羥基自由基氧化層間石墨。加入甲醇就能回流CF3SO3H重新電解。 石墨是全碳結(jié)構(gòu)的超大共軛稠環(huán)芳烴，水溶性氧化劑接觸比較困難。 石墨烯氧化.JPG |
6樓2013-05-16 16:35:03
4樓2013-05-16 15:51:28
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為了回收循環(huán)三氟甲磺酸CF3SO3H， 甲醇是在過氧化三氟甲磺酸氧化石墨結(jié)束后加入洗滌出CF3SO3H，不會(huì)氧化甲醇。 回收三氟甲磺酸以便重新電解。這個(gè)方法還是效率不高，但比現(xiàn)在的公開方法強(qiáng)多了。 CF3SO3H很穩(wěn)定，不會(huì)被電解分解，這是氟化學(xué)一致公認(rèn)的。 當(dāng)然，還在測試一些其他的清潔強(qiáng)氧化方法。那些公開的方法不值一做。產(chǎn)業(yè)思維和JACS發(fā)paper還是有區(qū)別的。 我也可以將一些氧化測試數(shù)據(jù)給你看看。 |
9樓2013-05-16 17:20:57
11樓2013-06-14 14:58:19
14樓2013-06-15 08:50:24
16樓2015-01-04 09:48:57
3樓2013-05-16 15:51:13
5樓2013-05-16 15:56:19
Happy everyday
7樓2013-05-16 16:57:38
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小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
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看來樓主你絕對不是做有機(jī)的。。。 你的scheme做的很好，但是給你提個(gè)小意見，你的羥基自由基會(huì)優(yōu)先氧化你的甲醇而不是芳香環(huán)。如果換成THF一類的溶劑會(huì)好一點(diǎn)。 其次，石墨絕對不是簡單的有機(jī)芳香環(huán)，這個(gè)觀點(diǎn)很難能用三言兩語證明。我最近在做一個(gè)project討論graphite和graphene的有機(jī)反應(yīng)活性，如果發(fā)表了可以貼數(shù)據(jù)給你。 最后，我懷疑你這個(gè)試劑有可能導(dǎo)致graphene的氟化反應(yīng)，具體我記不清了，McMillan他們組去年發(fā)的一片science，講的是差不多的一個(gè)反應(yīng)，用的是CF3SOCl。 |
8樓2013-05-16 17:02:03
10樓2013-05-16 20:58:28
12樓2013-06-14 23:48:43
13樓2013-06-15 07:06:47
15樓2014-12-07 20:22:22
17樓2015-03-11 10:20:09
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小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
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”就這幾步反應(yīng)，只要懂有機(jī)合成的人參與，石墨烯很快會(huì)降到100元/kg“ —— 呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵呵 1. 生產(chǎn)一克氧化石墨烯需要使用多少濃酸、要產(chǎn)生多少費(fèi)酸？濃硫酸，濃硝酸不要錢？產(chǎn)生的廢酸回收處理不要錢？ 2.還原氧化石墨烯用的水合肼劇毒，難道不要處理？處理劇毒物質(zhì)不要成本？ 3.還原得到的石墨烯很容易分離？分離的成本不高？ 確實(shí)這個(gè)方法沒什么特別高的技術(shù)含量，但是。。。。。。 樓主奇才！~ |
18樓2015-06-17 17:22:35
19樓2015-06-18 14:53:13
20樓2015-06-18 16:01:26
21樓2015-11-17 11:28:02
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小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
小木蟲: 金幣+0.5, 給個(gè)紅包，謝謝回帖
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我希望大家不要盲目點(diǎn)贊，稍微思考，考證下真?zhèn)�，看看到底這些說法靠譜嗎？ps:你看看特斯拉最近幾年的財(cái)報(bào)，一直在賠錢。好好做人，干點(diǎn)實(shí)事吧 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
22樓2015-11-17 11:31:06
23樓2015-11-21 13:31:28
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