chemindole

木蟲 (著名寫手)

[交流] 如何低成本合成石墨烯？

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(jī)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(jī)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(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(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，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)價值和個人回報。
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(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(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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1樓 2013-05-16 14:31:40

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gzl9901

鐵桿木蟲 (文壇精英)

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7樓2013-05-16 16:57:38

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粘液819

木蟲 (正式寫手)

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chemindole: 金幣+10, 非常精彩 2013-05-16 15:41:51

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(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(xué)有機(jī)的分分鐘就搞出來的。。

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2樓2013-05-16 15:36:58

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hyz2006

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引用回帖:

2樓: Originally posted by 粘液819 at 2013-05-16 15:36:58
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 ...

贊成樓上的說法。要是那么容易，就不會有那么多人想著突破了。

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3樓2013-05-16 15:51:13

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chemindole

木蟲 (著名寫手)

引用回帖:

我正在合成石墨烯氧化物，當(dāng)然，現(xiàn)在公開的重污染方法，我們是不會做的。硫酸/硝酸/KMnO4的方法是不會做的，這種方法做出來也沒有價值。你說的剝離和透析的巨大工作量，是因為你采用了大量的硫酸和KMnO4這種難以處理的雜質(zhì)有關(guān)。超聲剝離問題不是很大。
我們在篩選清潔的強(qiáng)氧化劑，就不存在透析的問題了。

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4樓2013-05-16 15:51:28

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