近日，Nature Communications杂志刊发了化学化工学院赵亚平教授团队的科研成果“Supercritical mechano-exfoliation process”，该成果报道了超临界二氧化碳协同机械剥离（SCME）石墨制备石墨烯的绿色可持续技术，有效解决了石墨烯生产中质量、成本和产量之间的平衡问题。张浩博士生为论文的第一作者，赵亚平教授、谭慧君助理研究员为共同通讯作者。
小说《三体》中彰显了“在相互竞争的因素间寻求平衡”的概念，这一理念同样适用于科学与工业领域中多重优先事项的协调。尽管石墨烯因其优异的机械、热和电学性能备受关注，但在工业化生产中也面临着类似的问题，其性能、成本和产量三者之间的平衡始终是一个巨大的挑战。现有的生产方法各有优劣：一些方法能制备高质量的石墨烯，但成本效益或产量存在不足；而另一些方法尽管成本低、产量高，但产品质量往往无法满足要求。
为了应对这一工业化规模应用中的核心挑战，赵亚平团队多年来致力于研究如何在质量、成本和产量之间实现有效平衡。近日，该团队创新性地建立了基于超临界CO2 (SC CO2)协同机械剥离石墨制备石墨烯的绿色高效技术 (SCME)，为石墨烯的工业化应用提供了新的解决方案。SCME技术将SC CO2流体的独特性质与机械作用相结合，形成了双重剥离机制：在宏观层面，通过优化研磨过程中的应力和碰撞频率提高效率；在微观层面上，SC CO2在剥离过程中产生高剪切应力，进一步增强了剥离效果，同时保持了石墨烯原有的结构，确保了产品的高质量。
图1 SCME工艺剥离后石墨烯的结构及形貌
研究结果表明，通过调节SC CO2的密度和其他参数（如填充因子、球料比、转速比、时间和转速等），可以在一个工艺周期内对石墨烯的产率和质量进行连续调控，从而实现最佳的剥离效率。实验室规模和中试规模的生产都验证了这一理论。如图1所示，X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等结构表征证实所制备的石墨烯结构完整、缺陷少、层数低，表明了SCME工艺的有效性。SCME工艺在实验室规模 (0.06-0.2 kg) 和中试规模 (>4 kg) 下实现了超过40 kg/(m3·day)的石墨烯粉末时空产率，所制备的自支撑石墨烯膜导电性高达5.26 × 105 S/m，证明了SCME工艺在工业应用中的潜力。
图2 SCME剥离工艺的机理
此外，本研究还采用了计算流体力学-离散元方法 (CFD-DEM) 模拟和分子动力学(MD)模拟来探究SCME剥离的微观机制（图2）。研究发现，SC CO2的密度对剥离效果有显著影响，高密度的CO2有助于保护石墨烯的横向尺寸，减少应力能量的影响。进一步的动力学研究还提出了球磨辅助剥离的剥离机制，包括宏观上对质量传递频率和应力分布的优化能力，以及微观上剥离介质对剪切剥离的增强效应。
图3 SCME工艺的技术经济分析
技术经济分析（图3）表明，SCME工艺集剥离、分离和纯化为一体，整个工艺的生命周期不涉及有机溶剂和氧化剂的使用，在大规模生产中具有经济可行性。综合设备、能源消耗和原材料成本等因素对其在不同销售价格和销售量下的经济效益进行分析发现，SCME过程在成本和产量上具有竞争优势。该方法为石墨烯的工业化生产及其在下游产业链中的规模化应用提供了一条绿色可持续的新路径。该工作得到了政府间国际科技创新合作重点专项支持（2017YFE0127100）。
论文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53810-4
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