日前，由中科院山西煤炭化學研究所（簡稱山西煤化所）獨立提出并完成、歷時4年修改完善的燃燒法測量石墨烯基材料灰分含量國際標準，經中國、加拿大、韓國、德國等多國科學家審核后正式發(fā)布。

該方法完善了石墨烯基材料測試標準體系，顯著提高了石墨烯基材料灰分測試效率和分析結果的準確性，得到國內外科學家和產、學、研、檢、用單位的高度認可。它是山西煤化所709課題組主持的第二項石墨烯領域國際標準。

       合格石墨烯有了新標準

       “我們提供了石墨烯材料生產全流程的灰分含量質量監(jiān)控方法，解決了行業(yè)上下游的痛點。”山西煤化所709課題組長陳成猛、成員黃顯虹介紹了該標準出臺的幕后故事。

       近年來，石墨烯材料的應用場景逐漸增多，但雜質過多影響石墨烯產品品質乃至石墨烯復合材料性能，因此必須將材料灰分含量嚴格限制在一定范圍內。石墨烯材料的灰分測量并無經驗可借鑒，很多生產、使用石墨烯的企業(yè)對于灰分指標“束手無策”。這對全行業(yè)來說都是一項空白。

       “經過數(shù)年研究，我們認為雜質含量需要控制在0.1%以內。高于這個標準線的石墨烯產品便不合格，會影響下游石墨烯復合材料的制備和應用。”黃顯虹表示，“目前，石墨烯行業(yè)實際上缺少很多關鍵性的控制和測試標準，灰分含量只是其中很小一部分，其測試方法標準化也僅僅開了個頭。”

       2017年，709課題組向國際電工委員會提出了“石墨烯基材料-灰分含量：燃燒法”國際標準提案，向全世界行業(yè)專家征求意見，最終在2021年7月正式立項。該標準提案由黃顯虹和陳成猛擔任項目組組長。項目組利用4年時間打磨出一套低成本、高效率灰分測量解決方案。2022年11月4日，國際標準IEC/TS 62607-6-22（納米制造-關鍵控制特性-第6-22部分：石墨烯基材料-灰分含量：燃燒法）正式發(fā)布。

       “我們每年向國際電工委員會納米電工產品與系統(tǒng)技術委員會成員國科學家匯報兩次進展。由于前期工作基礎夯實，該標準提案自立項起一年半時間就正式發(fā)布，通過速度比大部分國際標準快很多。”黃顯虹介紹。

陳成猛表示，石墨烯領域國際標準的出臺，將給各個國家出臺自己的標準提供一個重要參照，最終很有可能被采納為國家標準、行業(yè)標準。這對于加快壯大新生的石墨烯產業(yè)非常重要。

       實非不愿，而是不會

       從天然石墨到石墨烯材料的過程，就是通過各種手段將石墨薄片的厚度減小為幾個石墨烯片層的過程。此時，材料的很多重要性質發(fā)生了改變。同時，很多產品受到生產過程中所用化學品的污染。這種“污染”與石墨烯的生產工藝密不可分。

       “無論是企業(yè)還是研究機構，無法測量石墨烯中的灰分實非不愿，而是缺少方法指導正確測試。石墨烯基材料存在的低密度、強靜電、熱膨脹效應讓測量難以進行。”黃顯虹表示。

       科學家在石墨烯片層之間引入的官能團刻蝕、破壞了片層的表面和邊緣，擴大了片層之間的距離，而且這些片層的表面和層中間夾雜了很多陰陽離子雜質。利用熱還原法制備石墨烯材料產生熱膨脹效應，這是測量氧化石墨和氧化石墨烯灰分的最大難點。再加上石墨烯材料（還原氧化石墨烯）本身存在強靜電且堆積密度極低，四處飛濺，嚴重影響測量準確性。

       科研機構常使用離子體質譜分析儀測試材料中的雜質，但價格昂貴、分析流程長，另外取樣代表性不足。因此，709課題組推薦使用更常見且價格更低廉的馬弗爐，并開發(fā)了一種可靠的檢測方法，可以承載更大質量的樣本。燃燒法測量石墨烯基材料灰分含量具備了在全行業(yè)推廣的條件。

       控制石墨烯“炸裂”

       為了掌控每一步生產過程，石墨烯各類中間品和最終產品都有必要隨時監(jiān)控雜質含量。“剝離”石墨烯片層的過程更像是“炸裂”的過程。

       709課題組基于對石墨烯制備技術的深刻理解和對馬弗爐熱膨脹現(xiàn)象的觀測，針對取樣、容器選擇、稱重方法和升溫程序等環(huán)節(jié)，測試了上百次，提出了一系列解決方案。

       “關鍵就在一瞬間。我們最終把熱膨脹效應變?yōu)?lsquo;延遲播放’，避開了氧化石墨烯‘炸裂’，使整個過程準確可控。”2019年夏天，黃顯虹重復觀察、捕捉不同氧含量的氧化石墨材料發(fā)生熱膨脹效應的瞬間景象，實驗總時長達到5000小時。

       “經過4年打磨，我們逐漸完善了一整套檢測辦法。在國際標準項目立項之前獨自探索，在測試方法初具雛形后，我們向10家國內產學研機構發(fā)出比對試驗邀請，得到了理想的數(shù)據(jù)?；曳譁y量的解決方案誕生了。”黃顯虹介紹道。

       2020年，課題組完成了含氧官能團定量表征及Boehm滴定方法國際標準制定，2022年完成了燃燒法測量石墨烯基材料灰分含量的相關國際標準。陳成猛表示，這項國際標準完善了石墨烯基材料測試標準體系，使產學研機構有了測試分析工具，為規(guī)范和促進石墨烯行業(yè)健康有序發(fā)展提供了技術支撐。與此同時，石墨烯領域研究還需要厘清分歧、達成共識，國家標準制定工作任重道遠。

IEC TS 62607-6-22-2022 納米制造.關鍵控制特性.第6-22部分:石墨烯基材料.灰分含量:焚燒

本文轉自：中國科學報  記者 李清波

免責聲明|版權歸原作者所有，如涉侵權請聯(lián)系我們處理！