石墨烯滚转

石墨烯滚转

麻省理工学院的工程师们已经开发出一种连续生产工艺,生产高质量的高质量石墨烯。

该小组的研究成果首次展示了一种用于制造高质量石墨烯的工业化、可扩展的方法,该方法适用于过滤各种分子,包括盐、较大离子、蛋白质或纳米颗粒。这种膜应用于脱盐、生物分离和其他应用。

“几年来,研究人员一直认为石墨烯是超薄膜的潜在途径,”机械工程副教授兼麻省理工学院制造和生产力实验室主任John Hart说。“我们相信这是第一个研究了将石墨烯制造成膜应用的研究,这要求石墨烯是无缝的,完全覆盖衬底,并且是高质量的。”

哈特是该论文的资深作者,这篇文章发表在《应用材料与界面》杂志上。研究内容包括第一作者Piran Kidambi,前麻省理工学院博士后,现在是范德堡大学的助理教授;麻省理工学院的研究生Dhanushkodi Mariappan和Nicholas Dee;新加坡国立大学的隋张;Andrey Vyatskikh,科技在斯科尔科沃学院现在是加州理工学院的一位学生;和Rohit Karnik,在麻省理工学院机械工程系副教授。

生长石墨烯

对于许多研究人员来说,石墨烯是理想的过滤膜。一个单一的石墨烯类似原子薄的鸡肉丝和由碳原子连接在一个模式,使得材料极其艰难和不透水的即使是最小的原子,氦 

研究人员,包括卡尼克的集团,已经开发出了制备石墨烯膜技术和精确的谜语他们微小的孔洞,或纳米孔,它的大小可以根据筛选出特定的分子。在大多数情况下,科学家通过一种叫做化学气相沉积的方法合成石墨烯,在这种过程中,他们首先加热铜箔样品,然后将其与碳和其他气体结合在一起。

石墨烯基膜大多是在实验室小批量生产的,研究人员可以仔细控制材料的生长条件。然而,哈特和他的同事认为,如果石墨烯膜在商业上被使用,它们将必须大量生产,以高的速率生产,并具有可靠的性能。

“我们知道,工业化需要一个持续的过程,”哈特说。“你不可能通过制作碎片来满足。而在商业上使用的膜需要相当大的尺寸——有些大,以至于你必须把一张海报宽的薄片送到一个炉子里去做一个膜。

工厂的推出;

研究人员着手建立一个端到端、开始完成的制造工艺来制造薄膜质量的石墨烯。

该团队的设置结合了一种卷到卷的方法——一种用于薄箔连续加工的常用工业方法——用化学气相沉积的普通石墨烯制造技术,以大量和高速度制造高质量的石墨烯。该系统由两个线轴,由传送带穿过小炉连接。第一卷舒展了一长条铜箔,少于1厘米宽。当它进入炉内时,箔通过第一个管然后被另一个馈送,在“分裂区”设计中。

当箔片通过第一个管子滚动时,它加热到一定的理想温度,此时,它可以通过第二个管子滚动,在那里,科学家以一定比例的甲烷和氢气泵入沉积在加热箔上的石墨烯。

“石墨烯开始在小岛上形成,然后这些岛屿生长在一起形成连续的薄片,”哈特说。“当它走出烤箱时,石墨烯应该完全覆盖在一层的箔,有点像一个连续的披萨床。”

当石墨烯离开炉时,它被卷绕到第二阀芯上。研究人员发现,他们能够送箔不断通过系统的速度在每分钟5 centimers生产高质量石墨烯。它们的最长运行持续了将近四个小时,在此期间,它们产生了大约10米的连续石墨烯。

“如果这是在一个工厂,它将运行24-7,”哈特说。“你会有大的卷箔,像印刷机。” 

灵活的设计;

一旦研究人员制作石墨烯使用卷到卷的方法,他们解开箔从第二阀芯切小的样品。他们用哈佛大学的科学家开发的方法,用聚合物网或支撑物浇铸样品,然后蚀刻掉下面的铜。

“如果你不支持石墨烯充分,它只会蜷缩在自己,”Kidambi说。“因此,你从下面蚀刻出铜,并且石墨烯直接被一种多孔的聚合物所支撑——这基本上是一种膜。”

聚合物覆盖包含孔大于石墨烯的毛孔,哈特说,作为微观的“十字形远志,“保持石墨烯坚固其微小的毛孔打开, 

研究人员用石墨烯膜进行扩散测试,将水、盐和其他分子的溶液流过每个膜。他们发现,总的来说,膜能够抵挡水流,同时过滤出分子。它们的性能与使用传统的小批量方法制备的石墨烯膜相媲美。

该团队还以不同的速度运行甲烷和氢气的比例,并在每次运行后表征所得到的石墨烯的质量。他们绘制了图表来说明石墨烯的质量和制造过程的速度和气体比率之间的关系。Kidambi说,如果其他设计师可以建立类似的机构,他们可以利用团队的图来识别设置他们需要产生一定质量的石墨烯。 

“系统给你很大的灵活性,在哪些方面你想调整石墨烯,从电子的方式对膜的应用,”Kidambi说。 

展望未来,哈特说,他希望找到方法,包括聚合物浇铸和其他步骤,目前正在执行的手,在辊对辊系统。

“在端到端的过程中,我们需要将更多的业务整合到生产线上,”哈特说。“目前,我们已经证明,这个过程可以扩大,我们希望这增加了对石墨烯基膜技术的信心和兴趣,并提供了商业化的途径。”

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