工程师开发出新的制造工艺，可将石墨烯条卷起来

一种新的制造工艺可大规模生产石墨烯条，用于膜技术和其他应用。

麻省理工学院的工程师们开发了一种连续的生产工艺，可以生产长条高质量的石墨烯。

该小组的成果是首次展示了一种工业上可扩展的制造高质量石墨烯方法的方法，该方法专为用于过滤各种分子（包括盐，更大的离子，蛋白质或纳米颗粒）的膜而设计。此类膜应可用于脱盐，生物分离和其他应用。

“多年来，研究人员一直将石墨烯视为通向超薄膜的一种潜在途径，”麻省理工学院机械工程副教授兼制造与生产力实验室主任约翰·哈特说。“我们相信这是针对膜应用量身定制石墨烯制造的第一项研究，该研究要求石墨烯必须无缝，完全覆盖基材并具有高品质。”

哈特（Hart）是该论文的高级作者，该论文在线发表在《应用材料与界面》（Applied Materials and Interfaces）杂志上。这项研究包括第一作者Piran Kidambi，他是前麻省理工学院的博士后，现在是范德比尔特大学的助理教授。麻省理工学院的研究生Dhanushkodi Mariappan和Nicholas Dee；新加坡国立大学的Sui Zhang； Andrey Vyatskikh，以前是斯科尔科沃科学技术学院的学生，现在就职于加州理工学院；麻省理工学院机械工程副教授罗希特·卡尼克（Rohit Karnik）。

生长中的石墨烯

对于许多研究人员而言，石墨烯是用于过滤膜的理想选择。一片石墨烯类似于原子上薄的金属丝，由碳原子组成，碳原子以一定的图案结合在一起，使该材料即使对于最小的原子氦也极其坚韧和不渗透。

包括Karnik小组在内的研究人员已经开发出制造石墨烯膜的技术，并将其精确地布满微小的孔或纳米孔，这些孔或纳米孔的大小可以定制以过滤出特定的分子。在大多数情况下，科学家通过称为化学气相沉积的过程合成石墨烯，在该过程中，他们首先加热铜箔样品，然后将碳和其他气体的混合物沉积到铜箔上。

该过程由“卷对卷”系统组成，该系统从一端卷出一条铜箔带，然后将铜箔带送入熔炉。甲烷和氢气沉积在箔片上以形成石墨烯，然后石墨烯离开熔炉并卷起来进行进一步显影。

基于石墨烯的膜大多数是在实验室中小批量生产的，研究人员可以在其中仔细控制材料的生长条件。但是，哈特和他的同事认为，如果要在商业上使用石墨烯膜，则必须大量，高产量且性能可靠地生产它们。

“我们知道，对于工业化来说，这将是一个连续的过程，”哈特说。“您将永远无法仅通过制作碎片就可以赚到足够的钱。而且商业上使用的膜必须相当大­-有些太大，以至于您必须将整个海报用的箔片送入熔炉中制成膜。”

工厂推广

研究人员着手建立一个从头到尾，从头到尾的制造工艺，以制造膜品质的石墨烯。

该团队的设置将卷对卷方法（一种用于连续加工薄箔的常见工业方法）与常见的化学气相沉积石墨烯制造技术相结合，以高产量大量生产高质量的石墨烯。该系统由两个线轴组成，两个线轴通过一条穿过小炉子的传送带相连。第一个线轴展开一长条小于1厘米宽的铜箔。当它进入熔炉时，箔片首先以“分流区”设计先通过一根管子，然后再通过另一根管子。

当箔纸通过第一根管子时，它会加热到一定的理想温度，这时可以准备通过第二根管子，科学家将指定比例的甲烷和氢气泵送到第二根管子中，然后沉积到第二根管子上。加热箔片以生产石墨烯。

哈特说：“石墨烯开始在小岛上形成，然后这些岛一起长成连续的薄片。”“在烤箱出炉之前，石墨烯应该完全覆盖铝箔的一层，有点像连续的比萨饼床。”

当石墨烯离开熔炉时，它被卷到第二个卷轴上。研究人员发现，他们能够连续地将铝箔送入整个系统，以每分钟5厘分的速度生产出高质量的石墨烯。他们最长的运行持续了将近四个小时，在此期间，他们生产了约10米的连续石墨烯。

哈特说：“如果在工厂里，它将以24-7运行。”“像印刷机一样，您将有大卷筒的箔纸穿过。”

灵活的设计

一旦研究人员使用卷对卷方法生产了石墨烯，他们便从第二个卷轴上解开了箔，并切出了一些小样品。他们使用哈佛大学科学家开发的方法，用聚合物网或支撑物浇铸样品，然后蚀刻掉下面的铜。

Kidambi说：“如果您对石墨烯的支持不足，它就会自行卷曲。”“因此，您从下方蚀刻出铜，并让石墨烯直接由多孔聚合物（基本上是膜）支撑。”

这种聚合物覆盖物所包含的孔要比石墨烯的孔大，哈特说，这些孔起着微观的“鼓皮”的作用，使石墨烯坚固而细小的孔敞开。

研究人员对石墨烯膜进行了扩散测试，使水，盐和其他分子的溶液流过每个膜。他们发现，总的来说，这些膜能够在过滤分子的同时经受住流动。它们的性能可与使用常规小批量方法制得的石墨烯膜相媲美。

该团队还以不同的速度，不同的甲烷和氢气比例运行该过程，并表征了每次运行后所得石墨烯的质量。他们绘制了图表以显示石墨烯的质量与制造过程中速度和气体比率之间的关系。Kidambi说，如果其他设计师可以构建类似的设置，则他们可以使用团队的图来确定生产一定质量的石墨烯所需的设置。

Kidambi说：“该系统为您调整石墨烯的用途提供了极大的灵活性，从电子到膜应用，一直到整个过程。”

展望未来，Hart表示，他希望找到将聚合物浇铸和当前手动执行的其他步骤包括在卷对卷系统中的方法。

哈特说：“在端到端的过程中，我们需要将更多的运营整合到生产线中。”“目前，我们已经证明了该方法可以扩大规模，我们希望这会增加对基于石墨烯的膜技术的信心和兴趣，并为商业化提供途径。”

出版物：Piran R. Kidambi等人，“通过卷对卷化学气相沉积和聚合物载体浇铸，向纳米多孔大面积原子薄石墨烯膜扩展的途径”，ACS Appl。母校接口，2018，10（12），pp 10369-10378; DOI：10.1021 / acsami.8b00846