石墨烯制备新技能：超临界流体技术

背景介绍

由于其独特的二维晶体结构和出色的力学、电学、热学和光学特性，石墨烯成为材料领域研究的热点。然而，要实现石墨烯的工业化应用，就必须解决大规模制备高质量石墨烯材料的难题。目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、氧化还原法、碳化硅外延生长法和化学气相沉积（CVD）法等。然而，这些方法都存在一些问题。机械剥离法的可控性较差，并且产量有限；氧化还原法容易引入其他元素的掺杂和结构缺陷，影响电导性；碳化硅外延生长法的原料价格昂贵，并且需要严苛的生长条件；CVD法则工艺复杂，生产成本较高。因此，如何以较低的成本和温和的反应条件大规模制备高质量石墨烯一直是科学家们努力研究的方向。超临界流体技术的出现为解决这些问题提供了新思路。

何为超临界流体？超临界流体(supercritical fluids，SCF)具有类似气体的扩散性质，其界面张力为零,容易实现石墨插层；具有类似液体的溶解能力。将高温高压下的超临界流体插层到天然的鳞片状石墨中，使石墨膨胀突破石墨层间的范德华力进而对石墨烯进行剥离、分散。超临界流体剥离制备石墨烯法实现了对石墨烯层数的可控制备，且工艺简单、成本低、设备要求不高，在大规模生产石墨烯具有极好的潜力。

常用的超临界二氧化碳(scCO2)的临界条件温和(临界温度31.1℃，临界压力7.38MPa)，且CO2具有无毒、惰性、价廉以及与产物易于分离等优点，在纳米复合材料制备方面的应用非常广泛，将其应用于直接剥离法制备石墨烯，避免了使用大量有机溶剂，且经过简单的泄压操作即可实现产物分离。后续操作较液相剥离法大大简化，有望实现高质量石墨烯的量产化。

机理

超临界流体（SCF）剥离石墨的原理以sc CO2（临界温度TC＝31.1℃，临界压力PC＝7.38MPa）为例介绍，如图1所示。石墨是片层结构，可以看作是单层的石墨烯通过范德华力一层层堆叠而形成（图1Ａ），超临界流体的高分散性和强渗透能力使其易于进入石墨层间，形成插层结构（图1Ｂ）；当快速泄压时，sc CO2发生显著膨胀，释放大量能量克服石墨层间作用力（图1Ｃ），得到单层或少层的石墨烯（图1Ｄ）。这种方法操作简单，条件容易实现，制备过程中未使用强酸强碱，绿色环保。

图1 sc CO2剥离石墨原理图

小结

超临界流体技术作为一种新兴的石墨烯制备技术，具有很大的潜力和应用前景。通过利用超临界流体的特殊性质，可以实现高纯度、高质量和可控性的石墨烯制备。此外，超临界流体技术还可以应用于石墨烯的功能化修饰和纳米材料的合成。尽管仍然存在一些挑战，但超临界流体技术的发展前景依然广阔，有望为石墨烯材料在各个领域的应用提供更多可能性。