2019.05.20

石墨烯? 石墨薄片? 氧化石墨? 氧化石墨烯? 還原氧化石墨烯? 且看國際組織如何描述石墨烯的統一定義

-石墨烯定義上的混淆

石墨烯(graphene)是一種單原子層的石墨,與傳統石墨材料具有相同的結構特徵,每個碳原子之間以sp2 混成,並與相 鄰的三個碳原子形成鍵結,以此延伸成蜂窩狀的二維結構,故容易與早期發展的薄層石墨或膨脹石墨兩者產生定義上的混淆。

 

-怎麼定義石墨烯呢?

在2014年於韓國濟州島舉辦的碳材料國際期刊編輯會議中,時任總編輯美國布朗大學Robert Hurt教授以石墨烯為題,已經提出較為明確的結構組成定義藉以統一目前各界對於石墨烯較為紊亂的說法。Robert Hurt教授提出石墨烯的名詞定義方法主要以層數為分野的標準,單層石墨烯(single layer graphene, graphene)是指具完整六角碳環組成之二維薄膜狀結構;雙層石墨烯(Bilayer graphene)及三層石墨烯(trilayer graphene)指由兩層或三層石墨烯層堆疊組成之二維板狀結構,其存在方式可包含複合於基材表面或以粉體方式存在;少層石墨烯(Few-layer graphene)泛指由層數2-5層石墨烯層連續堆疊形成的二維板狀結構;石墨薄片(graphite nanoplatlet, graphite sheet, graphite nanoflake)則指堆疊厚度小於100nm且堆疊型式不限於2H型或3C型的二維石墨板狀結構體。

 

-氧化石墨及氧化石墨烯又是甚麼?

氧化石墨(Graphite oxide)及氧化石墨烯(Graphene oxide)則因內部具含氧官能基而得名之,兩者之差異則來自於厚度與層數的差別,通常而言,氧化石墨烯係為氧化石墨經剝層化處理所得之產物。含氧官能基生成之因是源自於石墨原料經酸氧化製程反應生成石墨烯的過程中,石墨結構受強酸氧化作用而產生大量不同型式的氧化官能基,該官能基將可透過適當的還原製程去除,此時經過還原製程處理後之產物稱還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide)。經還原製程後所殘留的含氧官能基數量通常是由使用何種還原製程或條件所決定的。選擇適當的還原製程不只可以去除產物中的含氧官能基,亦可修復因強氧化反應而受損的結晶結構。所以我們可以這麼說,經過適當處裡的還原氧化石墨烯將會比原氧化石墨烯具有更低的含氧量及更佳的結晶結構。

 

-結論

總結以上,分別石墨烯、石墨薄片、氧化石墨、氧化石墨烯或還原氧化石墨烯的方法可藉由層數及含氧量的指數來簡易區分,層數小於10層或厚度小於5nm以下者可被定義為石墨烯;含氧量存在與否的特徵則可區分石墨烯(無氧)及氧化石墨烯(含氧)兩類,並依據結構特性的差異而可適用傳導特性應用及機械增強的應用。因此,選用石墨烯形式的標準可依據末端應用需求的種類來決定,譬如說導電或導熱特性的應用可選用含氧量低及結構指數高的石墨烯等產品來使用,反之如想透過增強石墨烯與基材間的界面強度而達到增強機械性能的應用,如強度強化、耐磨或潤滑等,則可以選用含氧的氧化石墨烯或還原氧化石墨烯等原料來使用。

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