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chemindole

木虫 (著名写手)

[交流] 如何低成本合成石墨烯？

这几天，国内新能源汽车产业又开始信心膨胀了，因为，美国Tesla公司的纯电动豪华跑车在美国市场上成为宝马、奔驰汽油豪车的杀手，并因此使Tesla公司2013年第一季度首次盈利1000多万USD，成为世界上第一个盈利的新能源汽车企业。
   据说，Tesla现在的电动豪车处境，就像2007年苹果刚推出的iPhone时对手机行业的血洗冲击。
  电动汽车最大的瓶颈是安全、快速充放电的低成本动力电池，国内现在还是一片空白。这和有机合成有啥关系？
  高性能动力电池的核心是电极新材料创新，这个必须懂有机合成的人，才有能力完成，国内多如牛毛的电化学技术人员，99%不懂有机合成，尽管做电池很熟练，但不懂新材料合成，只能做你的副手，帮你测试组装电池。
  我要提到石墨烯，是因为石墨烯是制备高性能充电电池电极的优选材料。半年前，我不看好石墨烯，3000元/kg的高价用不起，感觉是忽悠人的，只能发发paper。不过最近看法改变了。
  石墨烯如果接上能聚合的烯键，就可以很容易地聚合成各种高性能导电电极导电骨架，这样就能大幅改善动力电池性能，例如
1：降低电极电阻： 改善大电流充放电能力，提高充放电速度
2：克服锰酸锂高温缺陷，锰酸锂不能深度放电，否则锰酸锂骨架会断裂，导致循环性能迅速下降。有了石墨烯导电骨架，锰酸锂断裂了也不影响充放电循环。
  做过有机合成的人，再看石墨烯的合成，就是小菜一碟，简单的不能再简单了，就是强酸氧化——分散——水合肼还原，卖3000元/kg真是天价，就这几步反应，只要懂有机合成的人参与，石墨烯很快会降到100元/kg。
  上述方法合成出来的石墨烯，没有功能基团，应用价值不大，只能作为炭黑一样的添加剂。如何接枝有机功能基团，才体现有机合成技术的水平，提升石墨烯产品附加值。
  综合最近的文献，从有机合成的角度，石墨烯的合成原理如下：
1：要合成石墨烯，先要将石墨粉氧化为氧化石墨GO（graphite oxide）：
     石墨烯就是一个超大的多环芳香烃，要氧化石墨粉，相当于苯环羟基化合成苯酚，因此现有Nature、JACS等报道方法用浓硫酸/浓硝酸/KMnO4等强氧化手段氧化石墨粉，显得水平很差，污染超级严重，按照这种污染量，石墨烯是根本无法量产的。我个人推断，根据苯氧化为苯酚的有机合成手段，各位有机合成高手应该能发展出清洁的氧化方法，这是一篇至少能上JACS的文章，也具有巨大的工业价值和个人回报。
2：接枝功能基团：
  没有功能基团的石墨烯，只能作为添加剂，功能用途很有限，例如：分散加入聚氨酯中，改善导电性，成为抗静电聚氨酯。
   我目前急需的是在石墨烯上接枝能聚合的烯键，以便能将像面粉一样的石墨烯聚合成各种形状的石墨烯材料，我们的目标是用于高性能动力电池，在中国也诞生一家像Tesla这样的公司。
  浙大2013年4月报道了一种石墨烯碳海绵，能强烈吸收柴油，如果采用带聚合烯键的石墨烯，这种碳海绵能轻而易举的开发出来。

今天感看到一个石墨烯油墨3D打印电子设备的新闻报道：

http://stock.eastmoney.com/news/1405,20130516292018756.html
通过石墨烯油墨的3D打印，来制造电子设备的电子线路。

这种技术并不难，有聚合基团的纳米级的石墨烯，做成油墨后，打印完通过加热或光照聚合成各种形状的导电聚合物。
  只要石墨烯成本低廉，前途无量啊

石墨烯合成改造.JPG
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1楼 2013-05-16 14:31:40
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guohaiquan

银虫 (小有名气)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
努力探索，不出两年应该价格大降

[ 发自手机版 http://muchong.com/3g ]
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12楼2013-06-14 23:48:43
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粘液819

木虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
chemindole: 金币+10, 非常精彩 2013-05-16 15:41:51
楼主应该是没合成过GO吧。首先graphene oxide和graphite oxide是不一样的，前者在后者的基础上需要透析除金属离子，超声剥离，离心分离。
graphite oxidation和把苯氧化成苯酚也是不一样的，因为graphite在水中的分散性基本上为0，这种反应必须通过更大的能量（heating or microwave）促进不同相之间反应，因而需要强氧化剂。
此外，GO合成过程中最耗时的步骤不是氧化，而是剥离和透析。通常氧化大概一个下午就做完了，透析需要3到4周，而合成10g的GO大概需要离心1-2周（耐心和体力，一个也少不了）。所以绝对不是来个学有机的分分钟就搞出来的。。
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2楼2013-05-16 15:36:58
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hyz2006

木虫 (正式写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
引用回帖:
2楼: Originally posted by 粘液819 at 2013-05-16 15:36:58
楼主应该是没合成过GO吧。首先graphene oxide和graphite oxide是不一样的，前者在后者的基础上需要透析除金属离子，超声剥离，离心分离。
graphite oxidation和把苯氧化成苯酚也是不一样的，因为graphite在水中的分 ...

赞成楼上的说法。要是那么容易，就不会有那么多人想着突破了。
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3楼2013-05-16 15:51:13
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chemindole

木虫 (著名写手)
引用回帖:
2楼: Originally posted by 粘液819 at 2013-05-16 15:36:58
楼主应该是没合成过GO吧。首先graphene oxide和graphite oxide是不一样的，前者在后者的基础上需要透析除金属离子，超声剥离，离心分离。
graphite oxidation和把苯氧化成苯酚也是不一样的，因为graphite在水中的分 ...

我正在合成石墨烯氧化物，当然，现在公开的重污染方法，我们是不会做的。硫酸/硝酸/KMnO4的方法是不会做的，这种方法做出来也没有价值。你说的剥离和透析的巨大工作量，是因为你采用了大量的硫酸和KMnO4这种难以处理的杂质有关。超声剥离问题不是很大。
  我们在筛选清洁的强氧化剂，就不存在透析的问题了。
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4楼2013-05-16 15:51:28
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