一个包括来自Skoltech、MIPT、RAS固体物理研究所和阿尔托大学研究人员的国际团队，提出了一种利用一氧化碳作为碳源的独特石墨烯合成技术。相关研究成果以“High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction”为题发表在Advanced Science上。
该技术被认为是一种快速且廉价的方法，可以用相对简单的设备生产高质量的石墨烯，用于电子电路、气体传感器、光学等领域。
化学气相沉积(CVD)是合成石墨烯最标准的技术之一，通常是将碳原子从气体分子中分离出来，并在真空室中作为单层沉积在基底上。一种流行的基材是铜，使用的气体总是碳氢化合物：甲烷、丙烷、乙炔、乙醇等。
图1. 一氧化碳化学气相沉积(CVD)合成石墨烯
“从一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了，因为这种气体是生长单壁碳纳米管最方便的碳源之一。我们有近20年与一氧化碳有关的工作经验。然而，我们的第一次石墨烯实验并不成功，我们花了很长时间来理解如何控制石墨烯的成核和生长。一氧化碳的美妙之处在于它的完全催化分解，这使我们即使在环境压力下也能实现单层石墨烯大晶体的自限合成，”这项研究的首席研究员，Skoltech教授Albert Nasibulin说。
这种新方法得益于所谓的自限原理。在高温下，一氧化碳分子靠近铜基板时，容易分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一层结晶碳沉积下来，气体与基体分离，这种趋势就会减弱，所以这个过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以一种自我限制的方式运行，但程度较轻。
图2. 石墨烯成核过程中的化学反应方案（根据所考虑的模型）。ZCO、ZCO2、ZC、ZO分别对应CO、CO2、C、O的吸附形式；Z2——C2二聚体的吸附形式，Zx——大于两个碳原子的石墨烯核；用海军蓝和绿色表示的表面反应（为了简单起见，有些过程是反向的）；而吸附/解吸过程用红色表示。
这种方法排除了燃烧风险，这意味着不需要真空。该仪器在标准压力下工作，比传统的CVD设备简单得多。反过来，简化的设计可以加快综合速度。Grebenko说：“从取出一块裸露的铜到取出石墨烯只需要30分钟。”
由于不再需要真空，设备不仅工作更快，而且更便宜。研究人员强调说：“一旦你放弃使用制造超高真空的高端硬件，你就可以花不到1000美元组装我们的‘车库解决方案’。”
该研究的合著者Boris Gorshunov是麻省理工学院的教授，他强调了这种材料的高质量：“无论何时提出一种新的石墨烯合成技术，研究人员都必须证明它生产了他们声称的东西。经过严格的测试，我们可以自信地说，我们的石墨烯确实是高级石墨烯，可以与其他气体CVD生产的材料相媲美。最终得到的材料是结晶的、纯净的，而且面积足够大，可以用于电子产品。”
图3. 石墨烯-铜体系的结构
除了石墨烯本身的标准应用之外，使用与铜基板结合的石墨烯还有一些有趣的可能性——无需清除金属。与甲烷相比，一氧化碳对金属的附着能非常高。这意味着，随着沉积的发生，石墨烯既可以保护铜层免受化学反应的影响，又可以赋予其结构，从而形成具有良好催化性能的高度发达的金属表面。其他一些金属，如钌和钯，也将在这种情况下发挥作用，为具有不寻常表面的新型材料开辟道路。
献信息：
High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction
Advanced Science
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