连续石墨烯制膜工艺具有很大的应用潜力

在单原子厚度的碳石墨烯的众多潜在应用中，过滤膜一直是最有前途但令人沮丧的难以捉摸的应用之一。石墨烯薄片应该是理想的薄膜基础，研究人员一直在寻找方法，在薄片上布满精确大小的孔，只允许选定的分子通过。困难在于仅仅是制造足够大的薄片，因为石墨烯到目前为止都很难在大样本中制造。由约翰·哈特教授指导的麻省理工学院制造生产力实验室的团队设计了一种工艺，可以作为工业基础上生产大薄片的基础。

发表在一篇论文应用材料与接口该研究将通常用于制造石墨烯薄膜的方法应用于更工业化的环境。目前，石墨烯通常是通过化学气相沉积的方式制造的，这种方法包括加热铜箔，然后在严格控制的条件下，向铜箔上释放甲烷和其他气体，然后生长成石墨烯薄片。这项新技术也使用铜箔，但它是从一卷铜箔中展开，并通过一对管子进入一个小熔炉。

在第一管中，铜箔被加热到石墨烯沉积的理想温度。第二步，将一定比例的甲烷和氢气泵入铜层。”石墨烯开始在小岛上形成，然后这些小岛生长在一起，形成一个连续的薄片，”哈特说。“当它从烤箱里出来的时候，石墨烯应该会完全覆盖在一层箔上，有点像连续的披萨床。”

当石墨烯涂层的铝箔从熔炉中出来时，它被缠绕在另一个卷轴上。然后，哈特的团队将箔切成样品，在石墨烯上盖上一个网格，然后蚀刻掉铜。这项技术是由哈佛大学开发的。聚合物网格有突起，被称为鼓面，比石墨烯的孔隙更大，这提供了额外的稳定性，也保持了孔隙的开放。

然后，研究小组通过将盐溶液和其他分子溶液传递到所得到的支撑膜上，对其进行了测试，确认它们在承受流体流动的情况下能够有效过滤特定的分子。其性能与传统的小批量方法制造的石墨烯膜相当，而这种方法不适合工业生产。

哈特说:“我们知道，工业化需要一个持续的过程。”“光做零件是永远赚不到钱的。商业上使用的薄膜需要相当大，有些大到你必须把一张海报宽的铝箔放进炉子里来制作薄膜。”

石墨烯的制作过程目前以5厘米/分钟的速度运行，项目期间制作的最大样品大约有10米长，这需要设备运行4小时。

哈特说:“如果这是在工厂里，它将全天候运行。”“你会有大卷箔纸穿过，就像印刷机一样。”

该设备还需要按比例放大，因为哈特的团队使用的是不到1厘米宽的铜箔。该项目还包括改变过程的速度和沉积炉中甲烷与氢的比例，并监测由此产生的石墨烯质量。Hart现在计划设计一种方法，将支撑聚合物网格铸造集成到连续过程中，他认为这对于建立一条商业生产线是必要的。