打破砂鍋問到底–#21. 說說石墨烯家族的幾個特別事情 (六) 粒徑篇

2016-10-10

「說說石墨烯家族的幾個特別事情」這個系列其實是整理石墨烯應用技術如何精進的心得，也可以看成是前面一百多篇文章的「實戰版」，很適合石墨烯開發者遇到技術瓶頸時的明燈。但如果你只是一般對石墨烯還停留在興趣階段的讀者，我還是建議從第一篇文章開始慢慢讀起。

我在知乎從 2015 年 5 月一路寫來都是有層次、有架構的，第一部分 62 篇是我在產品開發的實務及想法；第二部分 28 篇是探討石墨烯相關的機理；第三部分 67 篇又分成四個系列：石墨烯距離民生商品化的時間還有多久 (主要是文獻探討，共 20 篇)、產學差距究竟有多大(主要打假學術部分，共 21 篇)、打破砂鍋問到底 (主要是打假石墨烯業者，共 21 篇)及對不起志陽來晚了(主要介紹志陽的產品，共 5 篇)，這些都是環環相扣的，只要我一有時間就會繼續寫下去。

回想二年前清華大學的張旭老師問我是否石墨烯所有的領域都要去涉獵，我回答說我已經擁有製備各類型石墨烯材料的本事，只要跟應用端合作開發就可以順勢進入各種領域。但各位可能不知道我要滿足這個理念，我就必須自己先去懂得行業規格、設計機理及實際加工制約才有辦法實現這些技術。我常說還好我是從業者身分去讀博，一開始就知道我要獲得甚麼知識；如果順序反了，這條路勢必事倍功半！不過，我的讀者中很多學術界的朋友，你們就不必那麼辛苦，好好把我的實務經驗看懂再去實踐就行了。

「說說石墨烯家族的幾個特別事情」前面五篇多半談到了：第一點，要落實石墨烯應用技術並不需要像外界去爭論單層石墨烯有多好，每種石墨烯材料都要有它的用途才是。第二點，要根據產品需要的物性去找適合的石墨烯組合，而不是用單一石墨烯是碰運氣。舉例超級電容器要求「快速充放電」，阻抗與電容量是考慮因素，導電性不佳的確會影響瞬間充放電能力。但就電容量就必須考慮到「電荷移動」的位置，這樣來看孔洞型石墨烯就比單層石墨烯更適合，何況以氧化還原法製備的石墨烯比表面積普遍不大，即使宣稱很高也是酸化後的活性點，反而不適合充放電。

但同樣是超級電容器若是要求能量密度提高就又不同，就要朝提高正極活性物質的比例去想。但為了因應正極鋰離子濃度提高的情況，以避免不可逆的化學反應反造成能量密度衰減，則也要相對提高負極活性物質的比例。這時候要談的是「系統」工作，不是單獨改善哪個部件就可以解決問題的。

材料在縮小至納米尺度後，在光、電、化、熱、力、磁學的性質上，也會產生與大尺寸材料迥然不同的表現。在這裡我們分成幾個部分來說明。

而應用領域就是志陽要發展的 26 個大項，其實可以看出這些技術還是離不開這些機理的範疇，也就是第三點：滿足產品需求的物性還是要回到最基本的機理，只不過石墨烯是最好的選項而已。再加上前幾天文章一直強調第四點：工藝決定結構、結構決定性質、性質決定性能。若加上第五點：有很多石墨烯材料庫，反覆實驗驗證，這些成功因素就是志陽能夠勝出的關鍵。

現在想想，這些的確不容易複製，但最大的問題還是後學者願意像我一路走來不斷積累並願意分享嗎？還是抱住僅有的資源妄想有天能起死回生？這就是中國石墨烯產業目前面臨的困局！還好，隨著「對不起志陽來晚了」系列文章不斷地發表，正表示志陽突破這個困局的機會又提高了許多！

我們這篇談到「粒徑」（適合顆粒型態）或「橫向尺度」（適合薄膜型態）。有這個想法是我在開發時發現同一款石墨烯橫向尺度固定，但在導熱、導電結果卻大不同。我們先整理一張表來談相關的機理。

眼尖的讀者或許注意到：這裡有二處與上面談的有所不同是怎麼一回事？所謂「硬度會隨粒徑變小而降低」指的是分子內部晶粒作用力的結果，這裡提到的是分子間的「界面作用力」。而「自由電子平均自由徑會隨粒徑變小而減少，使金屬導電性下降，由導體變成絕緣體」也是分子內部，但導電性談的是「導電通道」，指的也是分子間的作用力。所以我常說，很多時候解讀同一個現象就看你是以微觀還是巨觀去看問題，但都得合乎機理才是硬道理！

光一個「粒徑」就有這麼多學問在裡面，所以說要做好一個石墨烯產品可不那麼容易！在實驗設計時就要考慮好這些因素，調配不同粒徑的石墨烯去試樣、測試，發現不符原先的想法時還要排除異常，像上次用多層石墨烯做 PP 隔膜試片，分明石墨烯界面內機械性能比氧化石墨烯還好，但就是改善的不滿意，這周還要進行氧化石墨烯的試樣做比對。在此也要再次感謝合作客戶不厭其煩地跟我回饋信息，第六點心得是：實驗設計再好，還是得經過客戶反應後不斷修正。只要掌握這幾點要訣，我不相信石墨烯產品做不出來的！

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