李子丰

石墨烯和碳纳米管作为科学研究的热点已经持续很长时间了。目前,国际学术界,包括国家标准,对石墨烯有定义,原则上,10层以下、具备晶体结构才属于“石墨烯”,少层石墨烯通常指5层以下。市场上主流商务推广的,要么是“石墨粉”,要么基本上是非晶体的“还原氧化石墨烯”,它属于国家标准定义的“类石墨烯”,与“类金刚石”不是金刚石一样,类石墨烯也不是石墨烯。

一、石墨烯和碳纳米管的定义

石墨烯(graphene)是由呈六边形排列的碳原子构成的单层布状材料,其特点是碳原子在平面内与相邻的三个碳原子形成共价键。1947年Wallace首先提出了石墨烯这个概念。图1所示。

图1 单层石墨烯内碳原子的排列方式及化学键

碳纳米管(carbon nanotubes)是由呈六边形排列的碳原子构成的单层至多层同轴圆管材料,其特点是碳原子在管壁曲面内与相邻的三个碳原子形成共价键。1991年饭岛澄男(Sumio Iijima)首先提出了碳纳米管这个概念。图2所示。

图2单层碳纳米管内碳原子的排列方式及化学键

二、石墨烯和碳纳米管的“生产”及有待探索的科学问题

(一) 石墨烯的“生产”及有待探索的科学问题

石墨烯的“生产”。 2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)将石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二;不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。后来,他人就将石墨片换成了石墨粉或碳粉。现在,市场产品外观是粉末,颗粒直径为微米级。

石墨烯“生产”的疑问。(1)怎么确认得到了仅由一层碳原子构成的薄片?(2)根据石墨烯的定义,碳原子间有三个共价键;石墨片中的碳原子间有三个共价键吗?(3)石墨粉或碳粉中的碳处于散体态或游离态,散体或碳原子间没有共价键;这样操作后碳原子间就有三个共价键了;共价键是什么时候形成的?一位领军人才候选人回答:他们认为形成了。(4)资料说石墨烯的理论断裂强度为130GPa,而石墨的断裂强度仅为20-30 MPa,经过简单的机械剥离,断裂强度就增加了几千倍?(5)没有搜到类似图1的石墨烯微观照片。

(二)碳纳米管的“生产”及有待探索的科学问题

碳纳米管的“生产”。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中,在两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右;在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管;使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单,但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起,很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管。在此之前,1890年人们就发现含碳气体在热的表面上能分解形成丝状碳;1953年在CO和Fe3O4在高温反应时,也曾发现过类似的丝状结构。在20世纪70年代末,新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时,电极表面生成小纤维簇,进行了电子衍射测定发现是由类石墨排列的碳组成。现在,市场产品外观是粉末,长度为微米级。

碳纳米管“生产”的疑问。(1)根据碳纳米管的定义,碳原子间有三个共价键;这样生产的碳纳米管中的碳原子间有三个共价键吗?(2)资料说碳纳米管的理论断裂强度为100-200 GPa,与石墨烯的基本一致;有资料称实测强度超60Gpa;长度为微米级粉末状碳纳米管的断裂强度是怎么测得的?用什么仪器测得的?仪器量程和精度是多少?(3)没有搜到类似图2的碳纳米管微观照片。

三、结论

根据上述分析,关于石墨烯和碳纳米管还有众多研究难点有待解决,尚无宏观尺寸石墨烯和碳纳米管产品。虽然全世界投入了大量人力物力财力来发展石墨烯应用技术,但尚缺乏实质性产业技术突破,其根本原因是缺乏优质石墨烯的量产制备技术。就应用体量最大的粉体材料来说,市场上的石墨烯材料缺陷率太高,本质上与“炭黑”相当,严重制约了其在包括化学储能、新能源汽车、先进功能材料及器件等领域的应用技术的开拓,是其产业化推广的关键瓶颈。

(作者系燕山大学退休二级研究员)

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