گرافن، یک لایه منفرد از اتم‌های کربن که در یک شبکه لانه زنبوری دو بعدی قرار گرفته‌اند، در سال‌های اخیر به دلیل ویژگی‌های قابل‌توجهی که دارد مورد توجه قرار گرفته است. این ماده به دلیل استحکام استثنایی، رسانایی الکتریکی و هدایت حرارتی خود شناخته شده است، که آن را به یک ماده امیدوارکننده برای کاربردهای مختلف از جمله الکترونیک، ذخیره انرژی و مواد کامپوزیت تبدیل کرده است.
مرحله 1: آماده سازی گرافیت
اولین گام در تولید گرافن شامل بدست آوردن گرافیت با کیفیت بالا به عنوان ماده اولیه است. می توان از گرافیت طبیعی یا گرافیت مصنوعی استفاده کرد. گرافیت طبیعی به طور معمول استخراج می شود و سپس از طریق فرآیندهای مختلف برای حذف ناخالصی ها مانند خاک رس، مواد معدنی و سایر مواد کربن دار خالص می شود. گرافیت مصنوعی را می توان با حرارت دادن پیش سازهای کربن در دماهای بالا تولید کرد.
مرحله 2: لایه برداری گرافیت
مرحله بعدی لایه برداری گرافیت برای به دست آوردن تکه ها یا لایه های گرافن است. چندین روش برای دستیابی به این امر وجود دارد:
- لایه برداری مکانیکی: این روش شامل استفاده از نوار چسب برای جدا کردن مکرر لایه های نازک گرافن از نمونه گرافیت است. این یک فرآیند زمان‌بر است اما گرافن با کیفیت بالا تولید می‌کند.
- لایه برداری فاز مایع: در این روش، گرافیت با کمک سورفکتانت ها یا فراصوت در یک حلال پراکنده می شود. سپس سوسپانسیون به دست آمده سانتریفیوژ می شود تا دانه های گرافن از گرافیت لایه برداری نشده جدا شود.
- لایه‌برداری شیمیایی: روش‌های شیمیایی شامل استفاده از عوامل اکسید کننده قوی مانند پرمنگنات پتاسیم یا اسید نیتریک برای ایجاد لایه‌برداری بین لایه‌های گرافن و ایجاد لایه‌برداری است.
مرحله 3: تولید اکسید گرافن
اگر به جای گرافن بکر، اکسید گرافن (GO) مورد نظر باشد، تکه های گرافن لایه برداری شده میتوانند تحت اکسیداسیون بیشتری قرار گیرند تا گروه های عاملی حاوی اکسیژن معرفی شوند. این مرحله قابلیت پخش گرافن را در آب و سایر حلال ها افزایش می دهد.
مرحله 4: کاهش اکسید گرافن
اکسید گرافن را می توان برای به دست آوردن اکسید گرافن احیا شده (rGO) یا حتی گرافن بکر احیا کرد. کاهش، گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن را حذف می‌کند و منجر به بازیابی خواص گرافن مانند می‌شود. کاهش را می توان با روش های مختلف به دست آورد:
- کاهش حرارتی: گرم کردن GO در دماهای بالا در اتمسفر بی اثر یا خلاء می‌تواند به طور موثر آن را به rGO کاهش دهد.
- کاهش شیمیایی: استفاده از عوامل کاهنده مانند هیدرازین هیدرات، بوروهیدرید سدیم، یا اسید اسکوربیک نیز می‌تواند فرآیند کاهش را تسهیل کند.
- کاهش الکتروشیمیایی: اعمال یک پتانسیل الکتریکی به یک فیلم GO غوطه ور در یک الکترولیت مناسب می‌تواند باعث واکنش کاهش شود.
مرحله 5: مشخصه سازی
در طول فرآیند تولید گرافن، تکنیک های مشخصه برای ارزیابی کیفیت و خواص گرافن به دست آمده مورد استفاده قرار می گیرد. تکنیک هایی مانند طیف سنجی رامان، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) معمولا استفاده می شود.
مرحله 6: انتقال یا رسوب
هنگامی که گرافن به دست آمد، ممکن است لازم باشد برای کاربردهای بعدی به بستر مورد نظر منتقل یا سپرده شود. روش‌های رایج عبارتند از انتقال مکانیکی با استفاده از یک تکیه‌گاه پلیمری، رشد مستقیم روی بسترها از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD)، یا تکنیک‌های چاپ.
مرحله 7: تکنیک های بهینه سازی
برای بهینه سازی کیفیت و خواص گرافن، می توان از تکنیک های مختلفی استفاده کرد:
- پخت: عملیات حرارتی در دماهای کنترل شده می‌تواند خواص الکتریکی و ساختاری گرافن را افزایش دهد.
- دوپینگ: وارد کردن اتم‌ها یا مولکول‌های خارجی بر روی شبکه گرافن می‌تواند ویژگی‌های الکترونیکی آن را تغییر دهد.
- عملکردی‌سازی: اتصال کووالانسی گروه‌های عاملی به گرافن می‌تواند سازگاری آن با مواد دیگر را بهبود بخشد و خواص آن را متناسب کند.
مرحله 8: روش های جدید محققان به طور مستمر در حال بررسی روش های جدید برای سنتز گرافن هستند. برخی از پیشرفت های اخیر عبارتند از:
- گرافن القا شده با لیزر: این تکنیک شامل استفاده از لیزر برای تبدیل انتخابی لایه‌های پلی‌آمید به گرافن است.
- رسوب شیمیایی بخار بر روی فویل های مس: با رسوب پیش سازهای کربن بر روی ورق های مسی و بازپخت آنها، می توان لایه های گرافنی با مساحت بزرگی به دست آورد.
- سنتز از پایین به بالا: رویکردهای جدید شامل ساخت اتم گرافن به اتم یا مولکول به مول است.از طریق واکنش های شیمیایی سرچشمه می گیرند.
