工程师开发出新的制造过程,从而脱掉石墨烯条

新的制造工艺卷绕石墨烯条

新的制造过程生产石墨烯条,大规模,用于膜技术和其他应用。

麻省理工学院工程师开发了一种连续的制造过程,生产长条高质量的条带石墨烯.

该团队的结果是制造高质量石墨烯的工业,可扩展方法的首次演示,该方法适用于过滤各种分子的膜,包括盐,较大的离子,蛋白质或纳米颗粒。这种膜应可用于脱盐,生物分离和其他应用。

“几年来,研究人员认为石墨烯作为超薄膜的潜在途径,”John Hart,MIT制造业和生产力的实验室主任副教授John Hart说。“我们认为这是第一项研究,它根据需要将石墨烯制造用于膜应用,这要求石墨烯完全覆盖基板,具有高质量。”

HART是本文的高级作者,在线在杂志中在线应用材料和界面出现。该研究包括第一作者Piran Kidambi,这是一个前麻省理工学院博士博览会,现在是Vanderbilt University的助理教授;麻省理工学院研究生Dhanushkodi Mariappan和Nicholas dee;新加坡国立大学隋张;Andrey Vyatskikh,Skolokovo科技学院的前学生现在是Caltech;和麻省理工学院机械工程副教授Rohit Karnik。

生长石墨烯.

对于许多研究人员来说,石墨烯非常适用于过滤膜。一片石墨烯类似于原子薄的鸡油丝,由碳原子组成,该碳原子与图案的图案组成,使材料使材料非常坚韧,不透不透过最小的材料原子,氦气。

包括Karnik的组在内的研究人员已经开发了制造石墨烯膜的技术,并精确地沿着微小的孔或纳米孔沿着它们定制的尺寸来筛选出特定分子的尺寸。在大多数情况下,科学家们通过称为化学气相沉积的过程合成石墨烯,其中它们首先加热铜箔样品,然后沉积在其上碳和其他气体的组合。

新的制造过程会不会石墨烯

该过程包括一个“滚动卷”系统,该系统从一端剥离铜箔的带,这通过炉子进料。将甲烷和氢气沉积在箔上以形成石墨烯,然后将其排出炉子并被卷起以进一步发展。

基于石墨烯的膜主要是在实验室中的小批量制成的,研究人员可以仔细控制材料的生长条件。然而,HART和他的同事认为,如果在商业上使用石墨烯膜,则必须以大量的大量生产,并且具有可靠的性能。

“我们知道为工业化,需要是一个不断的过程,”Hart说。“只需做碎片,你永远不会赚得足够。和商业上使用的膜需要相当大 - 有些那么大,你必须将一张海报覆盖的箔片送到炉子中制作膜。“

工厂推出

研究人员旨在建立端到端的开始完成制造过程,以制造膜质量石墨烯。

该团队的设置结合了一种滚动卷方法 - 用于连续加工薄箔的常见工业方法 - 具有化学气相沉积的共同石墨烯制造技术,以大量制造高质量的石墨烯和高速率。该系统由两个线轴组成,由传送带连接通过小型炉子。第一卷轴展开长条铜箔,小于1厘米宽。当它进入炉子时,箔通过第一管送入,然后在“分裂区”设计中。

虽然箔辊穿过第一管,但它升温到某个理想温度,此时它已准备好滚过第二管,其中科学家泵的甲烷和氢气的指定比例泵沉积在加热箔以生产石墨烯。

“石墨烯开始在小岛屿上形成,然后那些岛屿在一起形成一个连续的表格,”哈特说。“当它是烤箱中的时间,石墨烯应该完全覆盖一层的箔片,就像一个连续的披萨床。”

当石墨烯离开炉子时,它滚到第二阀芯上。研究人员发现,它们能够通过系统连续喂养箔片,以每分钟5厘米的速度产生高质量的石墨烯。他们最长的跑步持续了近四个小时,在此期间,它们生产了大约10米的连续石墨烯。

“如果这是一个工厂,它将在24-7运行,”哈特说。“如印刷机一样,你会有一个箔的箔片。”

灵活的设计

一旦研究人员使用其卷到卷法生产石墨烯,它们就会将箔从第二阀芯展开并切出小样品。它们使用哈佛大学科学家开发的方法施用具有聚合物网或载体的样品,随后蚀刻了下面的铜。

“如果你不充分支持石墨烯,那么它将自身卷起来,”Kidambi说。“因此,您可以从下面蚀刻铜,并通过多孔聚合物直接支撑石墨烯 - 基本上是膜。”

聚合物覆盖物包含大于石墨烯的孔的孔,哈特表示充当微观的“鼓头”,使石墨烯坚固且其微小的孔隙打开。

研究人员用石墨烯膜进行扩散试验,在每个膜上流动水,盐和其他分子的溶液。他们发现整体而言,膜能够在过滤分子的同时承受流动。它们的性能与使用常规小批量方法制造的石墨烯膜相当。

该团队还以不同的速度运行,具有不同的甲烷和氢气的比例,并在每次运行后表征所得石墨烯的质量。他们加起来绘制图石墨烯质量与制造过程的速度和气体比之间的关系。Kidambi说,如果其他设计师可以构建类似的设置,他们可以使用团队的情节来识别他们需要产生某种质量的图形的设置。

“在您希望从电子到膜应用程序中所有观察的Graphene提供了很大的灵活性,从电子到膜应用程序,”德比比说。

展望,HART表示,他想找到包含聚合物铸造的方法和当前通过手工执行的其他步骤,在卷到卷系统中。

“在端到端的过程中,我们需要将更多的操作集成到制造业中,”Hart说。“目前,我们已经证明,这一过程可以缩放,我们希望这增加了基于石墨烯的膜技术的信心和兴趣,并为商业化提供了一种途径。”

出版物:Piran R. Kidambi等,“通过卷到卷化学气相沉积和聚合物支撑铸造的”通过纳米多孔大面积原子薄石墨烯膜的可扩展路线“,ACS App。母娘。界面,2018,10(12),PP 10369-10378;DOI:10.1021 / ACSAMI.8B00846

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