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(jià)的石墨烯生產(chǎn)方法打開(kāi)了大門(mén)。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(jiǎng)已經(jīng)過(guò)去了十多年，但科學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有找到一種方法來(lái)獲得高質(zhì)量的大面積石墨烯，這種石墨烯將廉價(jià)、高效且可擴(kuò)展，以滿足工業(yè)需求。通過(guò)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(guò)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(shuō)：“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(jí)計(jì)算機(jī)方法實(shí)驗(yàn)室副主任Nikita Orekhov說(shuō),“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(jí)計(jì)算機(jī)原子模型研究高溫氧化石墨烯的還原過(guò)程，并在我們同事的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行額外的研究。”

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(lái)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(kāi)始在相同的溫度，這允許消除缺陷。在退火過(guò)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(shí)發(fā)生了兩個(gè)相反的過(guò)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(shuō)。

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(kāi)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(guò)程中總原子數(shù)(c)、碳原子數(shù)(d)和氧原子數(shù)(e)的時(shí)間演化。碳、氧和氫的原子分別用藍(lán)色、紅色和灰色表示。

來(lái)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