石墨烯材料發展與應用趨勢

刊登日期:2012/4/3
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曼徹斯特大學的Geim 和Novoselov 在Science 發表了以膠帶剝離石墨,並接連發表了數篇Graphene 具有Anomalous Hall Effect ,顯示Graphene 電子表現出具有“相對性粒子” (Relativistic Particle)的性質,才引發整個物理界的重視。石墨烯(單層石墨烯)的定義為單層碳原子緊密堆積之二維蜂窩狀的晶格結構,不過除了單層石墨烯外,雙層或多層石墨烯材料在廣義上亦可被歸納為石墨烯材料家族。單層且結構完整之石墨烯具有相當優異的機械特性(楊氏係數高達1 TPa)、高熱傳導性(~5,000 W/m·K)、高載子移動速率(~250,000 cm2·s)和比表面積 (2,630m2。然而不同的製備方法與處理程序皆會產生不同物理化學特性的石墨烯材料,且其應用特性也將有所差異。
 
石墨烯的製程技術發展
製作石墨烯的方法很多,大致可分為表一所示之製程方法。其中,具有量產製造石墨烯的技術潛力的方法以化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition; CVD)及三菱氣體化學於2000 年開發的氧化石墨烯化學還原法(Reduction from Graphene Oxides)為主。
 
氧化石墨烯(Graphene Oxide; GO)化學還原法主要利用濃硫酸嵌入石墨層中,並以強氧化劑將石墨氧化,使表面產生大量的含氧官能基,以降低石墨層之間的凡得瓦力,數層甚至單層的氧化石墨烯可藉由後續的快速升溫熱處理,使大量CO2由層間炸開而達成。氧化石墨烯表面具有大量的含氧官能基(如Phenyl 、Epoxy 及Carbonyl 等),可再藉由具有強還原力的聯氨(Hydrazine)、NaBH4或高溫還原氣氛進行官能基的移除與結構修復。
 
近年來化學氣相沉積法成功地在過渡金屬表面製備出大面積石墨烯,因而促使化學氣相沉積法製備石墨烯受到廣泛地研究。化學氣相沉積法一般可得到石墨結構較佳且缺陷較少的石墨烯材料,也較能控制石墨烯的層數,因此適用在對導電與光學特性要求度高的透明導電薄膜或光電元件。
 
圖三、大尺寸石墨烯薄膜與不同甲烷流速所得到之石墨烯單晶尺寸的比較
 
石墨烯原料商業市場現況
歐盟委員會在布達佩斯召開的歐洲未來技術與新興技術大會暨2011 展覽會(FET11)上宣布啟動未來技術與新興技術旗艦研究計畫(FET Flagship Initiatives),其中石墨烯科技及應用為六大重點發展中的一項。在亞洲具有技術領先的南韓,宣布將投入2,100 億韓元進行石墨烯之商業化研發計畫。目前南韓已有高達500 多項之石墨烯相關專利,其中三星電子公司於美國、韓國與日本具有最多之石墨烯相關專利,高達100 項以上。
 
石墨烯材料主要供應商及其製程方法
美國XG Sciences為密西根州立大學Spin-off 的公司,在石墨烯因諾貝爾獎而聲名大噪之前,已從事利用熱脫層法製備多層石墨烯材料多年。該公司的產品以多層石墨烯粉末為主,價格約略在US$200/kg ,主要的應用為機械特性補強、儲能材料與導電添加劑。全球第三大鋼鐵製造商韓國浦項鋼鐵公司(Posco)已收購XG Sciences 20% 股權,成為最大股東並得到石墨烯生產的許可,計畫與具有XG Sciences 19% 股權的韓國韓華石油化學株式會社(Hanhwa Chemical)共同合作,於2012年建廠進行石墨烯之生產。美國Durham Graphene Science 則以其特有的化學氣相沉積法製備石墨烯粉末而聞名,其材料具有結構特性佳的特色,在導電應用的特性佳,也可以此粉末製備分散液及導電漿料。
 
石墨烯應用趨勢
2. 石墨烯表面鋰離子交換電池
美國俄亥俄州的Nanotek 儀器公司2011 年於Nano Letters 期刊發表一項石墨烯表面離子交換電池的技術,利用鋰離子在具有高度比表面積的之石墨烯奈米薄片(Graphene Oxide Nanosheets)表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,同時具有超級電容高功率密度和鋰電池高能量儲存密度的特性,讓電池充電時間從數小時縮短至不到……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文 
 

圖十、石墨烯表面鋰離子交換電池工作原理
 
作者:黃承鈞、黃淑娟 / 工研院材化所 
★本文節錄自「工業材料雜誌304期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10238

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