“把甲烷導入熔融的銅液中形成氣泡，甲烷在氣泡表面分解為碳原子，碳原子在氣泡表面組裝為石墨烯，而后隨氣泡到達熔融銅表面，并飛到收集器中。隨著氣泡不斷產生，高質量的石墨烯便會不斷生長出來。”
沒錯，從現在起，制備石墨烯就是這么簡單：從裝置的一端通入常見且廉價的天然氣，在裝置的另一端就會源源不斷地產生出高質量的“黑色黃金”石墨烯。這就是由于慶凱教授提出的制備石墨烯的新設想，電子科技大學基礎與前沿研究院2013級博士生唐永亮實現了該設想。
近日，唐永亮、于慶凱教授和祖小濤教授在材料與化學科學領域頂級期刊《材料化學》上發表論文，對這一方法進行了系統的闡述。期刊審稿人認為，“該工作填補了傳統化學氣相沉積法（CVD法）和氧化還原法之間的空白，對石墨烯的實際應用將起到極大地推進作用，并且有望進一步地應用于其他高質量二維材料的大量制備。”換句話說，這個新方法不僅能使石墨烯變成“白菜價”，還將為更多二維材料的大規模生產開辟新途徑。
于慶凱是石墨烯生長領域的開拓者之一，最早提出并實踐了在銅表面用氣相沉積法生長石墨烯，在鎳箔上生長石墨烯的工作也被廣泛應用。而且，當時于慶凱那里有開展液態金屬相關的成套實驗設備。在實驗室里，唐永亮通過這種方法，用十分簡單的小型裝置，一小時就可以生產出9克石墨烯。如果實現了產業化，用大型裝置進行生產，產出還會更大。毫無疑問，它為石墨烯的廣泛應用突破了一道瓶頸。
傳統制備方法難以兩全
自石墨烯發現以來，人們不斷研究發現它在電學、熱學、力學等方面的各種神奇性質以及巨大應用前景，并嘗試用各種方法制備生產。但目前流行的制備方法各有優劣，難以兩全：氣相沉積法質量好而產量低，氧化還原法產量很高但質量差。
于慶凱教授和唐永亮博士在開始研究時就確立目標，要找到一種既能保證產量又能保證質量的方法。他認為，現在常用的大規模制備石墨烯的氧化還原法，會對石墨烯的“晶格”造成嚴重損壞，極大地影響石墨烯成品的質量。因此，從一開始他就舍棄了“氧化還原法”這個研究路徑。
那么，氣相沉積法如何突破呢？唐永亮說，這種方法的原理是通過高溫含碳氣體分解形成碳原子沉積在金屬基體表面形成石墨烯，質量很不錯，但是生成的第一層石墨烯會阻礙金屬對反應過程的催化作用，因而產量很低。問題的關鍵就在于怎么讓催化金屬和含碳氣體進行充分、持續的接觸。
于慶凱教授首先想到用液態金屬代替“氣相沉積法”中的固態金屬。2015年，他與電子科技大學祖小濤教授開展合作，祖小濤教授派唐永亮赴美具體完成此項工作。
唐永亮
巨大創新來自小小改動
在美國，唐永亮深入鉆研，一干就是一年半。在于慶凱的指導下， 唐永亮采用在熔融金屬中“吹泡泡”的方法。這個前所未有的方法，讓唐永亮成為“第一個吃螃蟹的人”。
實驗效果如他所料，“在熔融金屬中發生反應，氣泡就會一直不斷地產生，一個新的氣泡就會形成一個新的沒有石墨烯的表面，不斷地產生氣泡，石墨烯就會不斷地產生出來，從而提高石墨烯的產量”。
為了尋找一種催化效果最好的金屬，唐永亮像愛迪生尋找鎢絲那樣在諸多種金屬材料中進行嘗試篩選。最開始用鎵和鎳做催化，發現長出來的東西都達不到預期。此后，他又花了三個月的時間，先后用銅、銅鎳合金等諸多金屬進行實驗，并對比這些不同種類的金屬催化劑生產石墨烯的厚度和質量，最后發現銅的效果最好、產量最高，“石墨烯生長出來之后，就像漂浮在水面的一張油紙那樣漂在液態銅的表面”。
氣泡CVD法制備得到的石墨烯的表征：（a）載玻片上提純過后的石墨烯的光學顯微鏡圖片；（b）純凈石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片；（c）石墨烯的拉曼光譜圖.插圖為石墨烯2D峰的洛倫茲擬合結果；（d-f）純凈石墨烯的透射電鏡圖片.圖a和b中的標尺分別為5微米和100微米，d-f中的標尺分別為1微米、200nm、5nm。
接踵而來的難題是，如何把這一層層漂浮的石墨烯收集起來呢？最容易想到的辦法，當然是用機械的方法撈出來。但這種辦法顯然是不便操作且效率低下的。百思不解之時，他偶與于慶凱教授交流，于慶凱說：“何不把它吹出來？”
“這是一個重要的提示！”唐永亮說，“石墨烯跟液態銅的浸潤性很差，它們倆是不會粘在一起的，如果通入氣體吹一下，漂浮在液態銅表面的石墨烯就會飛起來，我們只需要在裝置的尾端設置一個罐子收集就可以了。”
“傳統的氣相沉積法的產量很小，根本無法用克來計量，只能說面積有多少平方厘米，像手機這么大的一層石墨烯，可能都要幾百塊錢。”唐永亮說，“采用我的方法，石墨烯的制造成本跟氧化還原法差不多，1克只要幾塊錢，質量比氧化還原法高得多。”
把石墨烯推向產業應用
經過一年半的研究，唐永亮在2016年下半年探索出了一套相對成熟的石墨烯制備方法。他和于慶凱教授很快就撰寫了論文，對該方法進行梳理總結。由于這種方法史無前例，因此，他們對這篇取得突破性進展的論文的成功發表滿懷信心。
2016年，他們將論文投給《科學》和《自然》。但沒有料到，論文均被拒稿。《自然》的編輯高度肯定了這一創新制備方法，但也一針見血地指出這種方法的不足——相比于傳統的氣象沉積法，氣泡氣相法產出的石墨烯依然較厚。
雖然遭受挫折，但這一原創性成果瑕不掩瑜。隨后，唐永亮和于慶凱對研究進行了優化，并投稿給《材料化學》期刊，結果順利發表。現在，唐永亮正在努力解決如何通過“把氣泡打碎”和“調整氣體濃度”等方法，進一步優化該方法的產出數量和質量，期望在不久的將來再次向《科學》和《自然》進軍。
作為新材料中的“黑色黃金”，石墨烯在電子、導電油墨、防腐涂料、儲能設備、航空航天等領域有著巨大的潛在市場等待挖掘。
“用不了多久，石墨烯將廣泛進入我們的生活，改變這個世界！”唐永亮說。
