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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，因為，美國Tesla公司的純電動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，成為世界上第一個盈利的新能源汽車企業(yè)。 據(jù)說，Tesla現(xiàn)在的電動豪車處境，就像2007年蘋果剛推出的iPhone時對手機行業(yè)的血洗沖擊。 電動汽車最大的瓶頸是安全、快速充放電的低成本動力電池，國內(nèi)現(xiàn)在還是一片空白。這和有機合成有啥關(guān)系？ 高性能動力電池的核心是電極新材料創(chuàng)新，這個必須懂有機合成的人，才有能力完成，國內(nèi)多如牛毛的電化學技術(shù)人員，99%不懂有機合成，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，是因為石墨烯是制備高性能充電電池電極的優(yōu)選材料。半年前，我不看好石墨烯，3000元/kg的高價用不起，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，就是強酸氧化——分散——水合肼還原，賣3000元/kg真是天價，就這幾步反應(yīng)，只要懂有機合成的人參與，石墨烯很快會降到100元/kg。 上述方法合成出來的石墨烯，沒有功能基團，應(yīng)用價值不大，只能作為炭黑一樣的添加劑。如何接枝有機功能基團，才體現(xiàn)有機合成技術(shù)的水平，提升石墨烯產(chǎn)品附加值。 綜合最近的文獻，從有機合成的角度，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）： 石墨烯就是一個超大的多環(huán)芳香烴，要氧化石墨粉，相當于苯環(huán)羥基化合成苯酚，因此現(xiàn)有Nature、JACS等報道方法用濃硫酸/濃硝酸/KMnO4等強氧化手段氧化石墨粉，顯得水平很差，污染超級嚴重，按照這種污染量，石墨烯是根本無法量產(chǎn)的。我個人推斷，根據(jù)苯氧化為苯酚的有機合成手段，各位有機合成高手應(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)價值和個人回報。 2：接枝功能基團： 沒有功能基團的石墨烯，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，我們的目標是用于高性能動力電池，在中國也誕生一家像Tesla這樣的公司。 浙大2013年4月報道了一種石墨烯碳海綿，能強烈吸收柴油，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。 今天感看到一個石墨烯油墨3D打印電子設(shè)備的新聞報道： 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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4樓2013-05-16 15:51:28
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
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，因為graphite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）促進不同相之間反應(yīng)，因而需要強氧化劑。 此外，GO合成過程中最耗時的步驟不是氧化，而是剝離和透析。通常氧化大概一個下午就做完了，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，一個也少不了）。所以絕對不是來個學有機的分分鐘就搞出來的。。 |
2樓2013-05-16 15:36:58
3樓2013-05-16 15:51:13
5樓2013-05-16 15:56:19
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