麻省理工学院的一个工程团队开发了一个连续的生产过程，生产出长条状的高质量石墨烯，这个过程是可扩展的。具有孔或纳米孔的石墨烯可用于特定应用，可用于过滤各种分子，包括盐，较大离子，蛋白质和纳米粒子。这种过滤器可用于脱盐，生物分离和其他应用。
“几年来，研究人员一直认为石墨烯是超薄膜的潜在途径，”麻省理工学院机械工程副教授说。“我们相信这是第一项量身定制的石墨烯膜生产应用的研究，这需要石墨烯无缝，完全覆盖基材，并且质量很高。”
对于许多研究人员来说，石墨烯非常适合用于过滤膜。它的一张薄片类似于由碳原子组成的原子状细小的金属丝，这种金属丝以一种图案连接在一起，使得该材料非常坚韧并且不透水 - 即使是最小的原子氦也是如此。
新的制造工艺可大规模生产石墨烯条，用于膜技术和其他应用
研究人员制造了具有定制纳米孔的石墨烯膜，但他们通常使用化学气相沉积，其中他们首先加热铜箔样品，然后在其上沉积碳和其他气体的组合。但是这将石墨烯的生产限制在实验室制造的小批量产品中。麻省理工学院的团队相信，如果石墨烯膜商业化，他们将不得不大量生产，速度快，性能可靠。
“我们知道，对于工业化来说，这需要一个持续的过程，”教授说。“通过制作作品你永远无法做到足够。商业上使用的膜需要非常大，因此您必须将海报宽的箔片放入炉中制成膜。“
该团队的创新设置结合了卷对卷方法，这是一种用于连续处理薄箔的常见工业方法。两个线轴通过穿过小炉的传送带连接。第一个卷轴展开一条不到一厘米宽的长条铜箔。当它进入炉子时，箔片通过第一个管道，然后是另一个，以“分区”设计进料。
当箔片穿过第一个管子时，它被加热到一定温度，然后通过第二个管子滚动。在那里，它暴露于特定比例的甲烷和氢气，它们沉积在加热的箔上以产生石墨烯。
“石墨烯开始在小岛屿上形成，这些岛屿一起生长形成连续的薄片，”教授解释并说到。“当它离开烤箱时，石墨烯应该完全覆盖一层薄膜。”
当石墨烯离开炉子时，它被卷到第二个线轴上。研究人员可以通过机器连续输送箔片，以每分钟5厘米的速度生成石墨烯。他们最长的时间持续了近四个小时，在这期间他们发现了约10米的连续石墨烯。
“如果这是在工厂里，那么它将全天候运行，”教授说。“你可以像印刷机一样通过大卷轴纸。”
在使用他们的卷对卷方法制造石墨烯之后，研究人员从第二个卷轴上解下箔片并切下小样本。他们用聚合物网或支架铸造样品，并蚀刻下面的铜。
该工艺由一个“卷对卷”系统组成，该系统从一端通过熔炉送出一束铜箔。甲烷和沉积在箔上的氢气形成石墨烯，然后箔离开炉并卷起以进一步显影。（图片由研究人员提供）
“如果你不充分支持石墨烯，它会自行蜷缩起来，”研究员说。“所以你从下面蚀刻出铜，并用多孔聚合物支撑石墨烯。”
聚合物覆盖层含有比石墨烯孔更大的孔，这些孔起到微观“鼓膜头”的作用，保持石墨烯坚固并且其纳米孔敞开。
研究人员使用石墨烯膜进行扩散测试，在每个膜上流动水，盐和其他分子的溶液。过滤分子时，膜承受流动。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该过程，使用不同比例的甲烷和氢气，并对每次运行后所得石墨烯的质量进行了表征。研究人员绘制出图表来展示石墨烯质量与制造工艺的速度和气体比率之间的关系。如果其他设计师构建类似的设置，他们可以使用团队的图解来确定产生特定质量石墨烯所需的设置。
新工艺为工程师提供了极大的灵活性，无论从电子应用到膜应用，他们希望调整石墨烯的用途。展望未来，教授表示，他希望找到包括聚合物铸造和目前手动采用卷对卷方式进行的其他步骤的方法。
“在端到端流程中，我们需要将更多的操作结合到生产线中，”他指出。“目前，我们已经证明，这个过程可以扩大，我们希望这增加了对石墨烯膜技术的信心和兴趣，并为商业化提供了一条途径。”
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