超临界CO2及用于石墨烯制备

超临界二氧化碳（SC-CO₂）是指在临界温度（31.1℃）和临界压力（7.38MPa）以上存在的特殊流体状态，兼具气体与液体的双重特性。

一、物理性质‌

1.‌高扩散性与低黏度‌

‌扩散系数‌为液体的100倍，传质效率显著提升，适用于快速萃取和反应过程。

‌黏度接近气体‌（约为液体的1%），流动阻力极小，可大幅降低能耗。

2.‌密度与溶解能力‌

‌密度接近液体‌（0.448 g/cm³），赋予其强溶解能力，可高效萃取脂溶性物质（如咖啡因、香料）。

‌溶解能力可调控‌：通过调节压力或温度改变密度，实现对不同极性物质的靶向分离。

‌二、化学与环境特性‌

1.‌惰性与稳定性‌

化学性质稳定，不易燃且无毒，适用于食品、医药等敏感领域。

2.‌环保优势‌

全程无有机溶剂残留，废弃物仅为CO₂（可回收循环），能耗比传统方法降低60%。

三、制备石墨烯

超临界二氧化碳（SC-CO₂）剥离法制备石墨烯是一种兼顾环保性与可控性的新兴技术。

1.工作原理：物化协同剥离机制

1）‌超临界CO₂的渗透与插层‌

SC-CO₂在临界点（31.1℃, 7.38MPa）以上兼具气体扩散性与液体溶解力，其分子直径（2.3Å）小于石墨层间距（3.4Å），可高效嵌入石墨层间形成插层结构。插层过程中，CO₂分子通过范德华力削弱石墨层间作用力‌。

2）‌泄压驱动的剥离动力学‌

快速泄压时，SC-CO₂体积急剧膨胀（膨胀率>100倍），释放的能量足以克服范德华力（约2 eV/nm²），实现石墨片层剥离。分子动力学模拟表明，该过程可在毫秒级完成，形成单层（<10层）石墨烯‌。

2.技术演进：从实验室到工业化尝试

（1）工艺优化路径

1）‌效率提升‌

‌分子楔辅助‌：添加芘基聚合物（如芘胺）作为“插层增强剂”，剥离单层率提升至40%以上，Pt催化剂负载均匀性提高1.4倍‌。

2）‌机械能耦合‌

上海交大开发超声-剪切协同技术，在SC-CO₂中通过机械应力活化石墨边缘，剥离效率提升40%‌。

3）‌质量调控‌

郑州大学团队利用SC-CO₂携带H₂O₂调控含氧官能团，赋予氧化石墨烯室温铁磁性（饱和磁化强度1.71 emu/g）‌。

4）工业化突破：SCME技术

赵亚平团队提出‌超临界CO₂协同机械剥离（SCME）；‌

‌双重剥离机制‌：宏观球磨破碎与微观CO₂层间剪切结合；

‌量产指标‌：中试规模产能>40kg/(m³·day)，石墨烯导电性达5.26×10⁵ S/m（理论值80%）‌。

四、产业化现状：应用与局限并存

五、核心挑战与突破方向

1.‌层数控制难题‌
工业化产品层数分散性大（1-10层占比>60%），中北大学提出‌气泡辅助液相剥离法‌：在石墨层间原位生成气泡扩大层距，结合胶体体积排斥效应提升单层率，缺陷率降低50%‌。

2.‌连续化生产瓶颈‌
广西师范大学开发‌阵列电解槽柔性封装策略‌，实现SC-CO₂反应釜的连续泄压与密封，突破批次生产限制‌。

3.‌成本与标准化缺失‌

高压设备占总投资60%，亟需开发低压高效替代工艺‌；

全球超临界石墨烯缺乏层数、缺陷率统一检测标准，市场乱象频发（如“伪石墨烯”掺杂）‌。

4.未来趋势

‌多技术集成‌：SC-CO₂剥离结合3D打印原位成型柔性电极，跳过转移步骤减少结构损伤‌；

‌绿色升级‌：超临界流体微乳液技术提升功能化修饰稳定性，避免sp²结构破坏‌。

超临界CO₂剥离法正从“实验室潜力”向“产业化落地”转型，其核心突破点在于‌设备工程革新‌（如低压连续化反应器）与‌跨行业标准共建‌，以平衡高性能与低成本矛盾。‌