俄羅斯科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為什么氧化石墨烯不只是在高溫下燃燒，而是為一種有前途且廉價的石墨烯生產(chǎn)方法打開了大門。這項(xiàng)研究發(fā)表在《Carbon》雜志上。

自從石墨烯實(shí)驗(yàn)研究獲得諾貝爾獎已經(jīng)過去了十多年，但科學(xué)家們?nèi)匀粵]有找到一種方法來獲得高質(zhì)量的大面積石墨烯，這種石墨烯將廉價、高效且可擴(kuò)展，以滿足工業(yè)需求。通過激光輻照從氧化石墨烯中還原石墨烯似乎是一種很有前途的方法：通過使用化學(xué)方法從普通石墨中制備氧化石墨烯，激光輔助還原技術(shù)在成本和材料質(zhì)量可控性方面具有很大的前景。

幾年前，Skoltech的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，即使在大氣條件下，將氧化石墨烯加熱到3300-3800 K，也可以生產(chǎn)出質(zhì)量相當(dāng)高的石墨烯。

Nikita Orekhov說：“這一結(jié)果讓我們的同事們大吃一驚：溫度非常高，但他們獲得了結(jié)構(gòu)良好的材料。碳材料在600-800 K或更高溫度的大氣氧氣中很容易燃燒，而在更高溫度的實(shí)驗(yàn)中，石墨烯獲得了良好的結(jié)構(gòu)性能?！甭槭±砉W(xué)院凝聚態(tài)物理超級計算機(jī)方法實(shí)驗(yàn)室副主任Nikita Orekhov說,“為了找出產(chǎn)生這種意想不到的效果的原因，我們決定使用超級計算機(jī)原子模型研究高溫氧化石墨烯的還原過程，并在我們同事的實(shí)驗(yàn)設(shè)計之后進(jìn)行額外的研究?！?/p>

在激光脈沖的作用下，石墨烯薄片邊界處紅色標(biāo)記的碳原子“燒壞”。B -在石墨烯片的中心區(qū)域，退火發(fā)生:石墨烯排列在正確的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。來源：N.D. Orekhov 等

研究人員發(fā)現(xiàn)，一方面，在高溫下(T>3000k)氣體環(huán)境中的氧原子與石墨烯相互作用，氧化并破壞石墨烯。另一方面，晶格的快速退火開始在相同的溫度，這允許消除缺陷。在退火過程中，晶格結(jié)構(gòu)變直而不是解體。

在不同的激光速度和脈沖重復(fù)頻率下，rGO陣列的溫度和I(G)/I(D)比值曲線減小。

“事實(shí)證明，暴露在激光脈沖下的材料的不同位置同時發(fā)生了兩個相反的過程:燃燒或破壞集中在石墨烯薄片的缺陷和邊界附近，那里的碳原子具有最活躍的化學(xué)活性，而退火主要發(fā)生在薄片的中心，那里的原子傾向于恢復(fù)到穩(wěn)定的構(gòu)型。”Skoltech材料技術(shù)中心(CMT)的首席研究科學(xué)家Stanislav Evlashin說。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了氧化石墨烯在極端溫度下的行為，在這種溫度下，直接的實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的。理解本文所述的工藝有助于進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化獲得大面積單晶高質(zhì)量石墨烯的方法。

GO的原子結(jié)構(gòu)(a)和熱態(tài)方案(b)。在不同溫度下，模擬過程中總原子數(shù)(c)、碳原子數(shù)(d)和氧原子數(shù)(e)的時間演化。碳、氧和氫的原子分別用藍(lán)色、紅色和灰色表示。

來源：Mechanism of graphene oxide laser reduction at ambient conditions:Experimental and ReaxFF study, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018；Controllable LaserReduction of Graphene Oxide Films for Photoelectronic Applications, ACSApplied Materials & Interfaces (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145