Sản xuất Graphene chất lượng cao với giá rẻ bằng cách sử dụng Carbon Monoxide

Những bông tuyết được khắc bằng graphene tại Skoltech. Vùng sáng là graphene, và vùng tối là đồng bị oxy hóa. Hình bông tuyết nổi lên khi graphene xung quanh bị carbon dioxide ăn mòn trong một trong các thí nghiệm trước khi tìm ra thành phần khí tối ưu. Tín dụng: Artem Grebenko / Skoltech

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất kỹ thuật tổng hợp graphene đầu tiên sử dụng carbon monoxide làm nguồn carbon. Đó là một cách nhanh chóng và rẻ tiền để sản xuất graphene chất lượng cao với thiết bị tương đối đơn giản để sử dụng trong các mạch điện tử, cảm biến khí, quang học, v.v. Nghiên cứu được các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo (Skoltech), Viện Vật lý và Công nghệ Matxcova (MIPT), Viện Vật lý trạng thái rắn RAS, Đại học Aalto và các nơi khác công bố trên tạp chí Khoa học tiên tiến uy tín.

Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là công nghệ tiêu chuẩn để tổng hợp graphene, một tấm nguyên tử cacbon dày một nguyên tử trong một cách sắp xếp tổ ong với các đặc tính vô song, hữu ích cho các ứng dụng điện tử và hơn thế nữa. CVD thường liên quan đến các nguyên tử carbon phá vỡ các phân tử khí và lắng đọng trên chất nền như một lớp đơn lớp trong buồng chân không. Đồng là một chất nền phổ biến và các loại khí được sử dụng luôn là hydrocacbon: metan, propan, axetylen, rượu mạnh, v.v.

“Ý tưởng tổng hợp graphene từ carbon monoxide đã xuất hiện từ lâu, vì khí đó là một trong những nguồn carbon thuận tiện nhất cho sự phát triển của ống nano carbon một thành. Chúng tôi đã có kinh nghiệm làm việc với carbon monoxide trong gần 20 năm. Tuy nhiên, những thí nghiệm đầu tiên của chúng tôi với graphene đã không thành công và chúng tôi đã mất nhiều thời gian để hiểu cách kiểm soát sự hình thành và phát triển của graphene. Vẻ đẹp của carbon monoxide nằm ở sự phân hủy xúc tác độc quyền của nó, cho phép chúng tôi thực hiện quá trình tổng hợp tự giới hạn các tinh thể lớn của graphene một lớp ngay cả ở áp suất môi trường xung quanh ”, điều tra viên chính của nghiên cứu, Giáo sư Albert Nasibulin của Skoltech cho biết.

Graphene là một lớp nguyên tử cacbon đơn lẻ được sắp xếp theo cấu trúc nano mạng tổ ong hai chiều.

“Dự án này là một trong những ví dụ sáng giá về cách các nghiên cứu cơ bản mang lại lợi ích cho các công nghệ ứng dụng. Đồng tác giả của bài báo, Nhà khoa học nghiên cứu cao cấp Dmitry Krasnikov của Skoltech, các điều kiện tối ưu hóa dẫn đến sự hình thành các tinh thể graphene lớn trở nên khả thi nhờ sự hiểu biết về cơ chế động học sâu sắc đối với sự hình thành và tăng trưởng của graphene. những căng thẳng.

Phương pháp mới được hưởng lợi từ nguyên tắc được gọi là tự giới hạn. Ở nhiệt độ cao, các phân tử carbon monoxide có xu hướng phân hủy thành các nguyên tử carbon và oxy khi chúng đến gần với chất nền đồng. Tuy nhiên, một khi lớp cacbon tinh thể đầu tiên được lắng đọng và tách khí khỏi chất nền, xu hướng này sẽ giảm xuống, do đó, quá trình tự nhiên tạo điều kiện cho sự hình thành một lớp đơn lớp. CVD dựa trên mêtan cũng có thể hoạt động theo cách tự giới hạn, nhưng ở mức độ thấp hơn.

“Hệ thống chúng tôi sử dụng có một số ưu điểm: Graphene tạo ra tinh khiết hơn, phát triển nhanh hơn và tạo thành các tinh thể tốt hơn. Hơn nữa, tinh chỉnh này ngăn ngừa tai nạn với hydro và các khí nổ khác bằng cách loại bỏ hoàn toàn chúng khỏi quá trình, ”tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Artem Grebenko, thực tập sinh Skoltech cho biết.

Thực tế là phương pháp loại trừ rủi ro cháy có nghĩa là không cần chân không. Bộ máy hoạt động ở áp suất tiêu chuẩn nên đơn giản hơn nhiều so với thiết bị CVD thông thường. Đổi lại, thiết kế đơn giản hóa dẫn đến tổng hợp nhanh hơn. Grebenko nói: “Chỉ mất 30 phút từ khi lấy một miếng đồng trần đến khi rút graphene ra.

Vì không còn cần đến chân không nên thiết bị không chỉ hoạt động nhanh hơn mà còn trở nên rẻ hơn. “Một khi bạn bỏ phần cứng cao cấp để tạo ra chân không siêu cao, bạn thực sự có thể lắp ráp ‘giải pháp ga ra’ của chúng tôi với giá không quá 1.000 đô la,” nhà nghiên cứu nhấn mạnh.

Đồng tác giả nghiên cứu Boris Gorshunov, giáo sư tại MIPT, nhấn mạnh chất lượng cao của vật liệu tạo ra: “Bất cứ khi nào một kỹ thuật tổng hợp graphene mới được trình bày, các nhà nghiên cứu bắt buộc phải chứng minh rằng nó tạo ra những gì họ khẳng định. Sau quá trình kiểm tra nghiêm ngặt, chúng tôi có thể tự tin nói rằng graphene của chúng tôi thực sự là graphene cao cấp có thể cạnh tranh với vật liệu được sản xuất thông qua CVD từ các loại khí khác. Vật liệu tạo thành là dạng tinh thể, tinh khiết và có dạng miếng đủ lớn để được sử dụng trong lĩnh vực điện tử ”.

Bên cạnh các ứng dụng tiêu chuẩn của graphene như vậy, có những khả năng hấp dẫn để sử dụng graphene liên kết với nền đồng – mà không làm mất kim loại. So với metan, cacbon monoxit có năng lượng bám dính vào kim loại rất cao. Điều này có nghĩa là, khi sự lắng đọng xảy ra, graphene vừa bảo vệ lớp đồng khỏi các phản ứng hóa học vừa tạo cấu trúc cho nó, tạo ra một bề mặt kim loại phát triển cao có tính chất xúc tác tuyệt vời. Một số kim loại khác, chẳng hạn như ruthenium và palađi, cũng sẽ hoạt động trong bối cảnh này để mở ra con đường cho các vật liệu mới có bề mặt khác thường.

Tham khảo: “Graphene chất lượng cao sử dụng phản ứng Boudouard” của Artem K. Grebenko, Dmitry V. Krasnikov, Anton V. Bubis, Vasily S. Stolyarov, Denis V. Vyalikh, Anna A. Makarova, Alexander Fedorov, Aisuluu Aitkulova, Alena A Alekseeva, Evgeniia Gilshtein, Zakhar Bedran, Alexander N. Shmakov, Liudmila Alyabyeva, Rais N. Mozhchil, Andrey M. Ionov, Boris P. Gorshunov, Kari Laasonen, Vitaly Podzorov và Albert G. Nasibulin, 20 tháng 2 năm 2022, Khoa học nâng cao .
DOI: 10.1002 / advs.202200217

Bên cạnh Skoltech, MIPT, ISSP RAS và Aalto, nghiên cứu được báo cáo trong câu chuyện này có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học HSE, Viện Nghiên cứu Tự động Dukhov, Trung tâm Vật lý Quốc tế Donostia, NUST MISIS, FU Berlin, IFW Dresden, Phòng thí nghiệm Liên bang Thụy Sĩ về Khoa học Vật liệu và Công nghệ, Viện xúc tác Boreskov, MEPhI và Đại học Rutgers. Các nhà nghiên cứu của Skoltech cũng thừa nhận công việc được thực hiện trên nguồn sáng BESSY II tại HZB Berlin là quan trọng đối với nghiên cứu.

Theo Scitechdaily