石墨烯的合成

無論是風力、火力、太陽能發電,產生電力後,需要儲存電力的系統,其中一種選擇是「石墨烯電池」,也就是以石墨烯為電極的鋰電池。中研院化學所的顏宏儒實驗室,將碳原子精準地合成為石墨烯,並應用於鋰電池陽極,有助提升儲電效能。

 承載希望的石墨烯

生活中最常看到的「石墨」,是鉛筆的筆芯,這一小塊石墨,是由許多層「石墨烯」堆疊而成。

你可能不認識石墨烯 (Graphene),但石墨烯可能會改變你未來的生活。這個人造的奈米材料具備許多超能力:極薄、透光度極高、高導熱率、高導電率,倍受人們期待。其中一個期待,是打造可用於儲能的石墨烯電池。

 

石墨烯,是由碳原子(圖中圓點)以六角形組成的一片薄膜,薄膜的厚度只有一個碳原子高。示意圖來源│iStock

石墨烯,是由碳原子(圖中圓點)以六角形組成的一片薄膜,薄膜的厚度只有一個碳原子高。 示意圖來源│iStock

 

石墨烯之所以具備「高導電率」,簡單來說,是源於碳原子的六角形結構。這結構使得碳原子穩固地牽著彼此,電子就能在一個個碳原子之間暢行無阻。因此,石墨烯相當適合用來作為鋰電池的陽極,導電效果更勝於傳統的石墨陽極。

 石墨烯的鍊成陣

雖然石墨烯和鑽石一樣,都是由碳原子組成,但石墨烯無法透過開採岩層而獲得,只能藉由科學家在實驗室裡合成。換句話說,科學家就像是「碳之鍊金術師」,透過特殊的「鍊成陣」,合成出原本只存在於假設理論的石墨烯結構。

當然,這裡所指的鍊成陣,並非合掌一拍、再往地上一擊,就能變出神奇的東西。而是科學家夜不成眠地,操作一次又一次的化學實驗,失敗了,再重頭來過。

 

世界上,其中一位能精準合成石墨烯結構的鍊金術師,就是中研院化學所的顏宏儒助研究員。身後的置物架,就是由多個六角形苯環建構而成的石墨烯結構。攝影│林洵安

世界上,其中一位能精準合成石墨烯結構的鍊金術師,就是中研院化學所的顏宏儒助研究員。身後的置物架,就是由多個六角形苯環建構而成的石墨烯結構。 攝影│林洵安

 

顏宏儒比喻,目前石墨烯常見的製備方法,是像小時候我們用美工刀切橡皮擦,把一大塊橡皮擦,切成一小塊,再細切成一層層,如下圖所示。但這樣「由大到小」剝離的石墨烯,所含的碳原子數量不精準,導致難以掌控後續應用於電子元件的效能。

 

常見的石墨烯製程。圖說設計│林婷嫻、林洵安

常見的石墨烯製程。 圖說設計│林婷嫻、林洵安

 

為了精準地合成石墨烯,顏宏儒與實驗室成員逆向操作,透過「由小到大」(bottom-up) 的合成方式,將一個六角型的苯環 (C6H6),接上另一個六角型的苯環 (C6H6),逐步累加、直到所需的碳原子總額,如下圖所示。

 

顏宏儒實驗室的石墨烯合成方法。圖說設計│林婷嫻、林洵安

顏宏儒實驗室的石墨烯合成方法。 圖說設計│林婷嫻、林洵安

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/yen-hung-ju-nanographene-bottom-up-synthesis/

(趕快點進來喔!還有更多精采圖文!)