TRIZ

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石墨烯制备方案
中的技术矛盾
石墨烯的制备方法
1、物理方法
1.1 微机械剥离法
1.2 液相或气相直接剥离法
2、化学方法
2.1 化学气相沉积法(CVD)
2.2 晶体外延生长法(SiC 高温退火)
2.3 氧化−还原法
3、其他方法
问题背景分析
氧化−还原法
氧化还原法是目前制备石墨烯最热门的方法,
制备过程可以概括为:
(1)利用强氧化剂与强酸形成胶体体系,加入
原料石墨反应一段时间后得到氧化石墨。
(2)利用化学还原,热还原,溶剂还原等方法
得到石墨烯。其中氧化石墨的制备过程较
为关键,其制备工艺成熟。
问题背景分析
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石墨在溶液中于某种条件下能与强氧化剂反应,
被氧化后在其片层间带上羰基、羟基等基团,
使石墨层间距变大成为氧化石墨。
片层氧化石墨经过适当的超声波震荡处理,极
易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层
氧化石墨烯溶液,再用硼氢化钠去除氧化石墨
烯上的部分含氧官能团
然后对氧化石墨烯进行磺化处理,防止石墨烯
团聚,最后用肼还原去除剩余的含氧官能团,
得到石墨烯。
问题背景分析
三维石墨烯结构的制备过程与结构:
a)石墨烯氧化物(GO)原位还原与自组装制
备得到石墨烯凝胶;
b)石墨烯氧化物的AFM图片;
c)制备得到的三维凝胶的微观结构。
问题背景分析
2.3氧化−还原法
优点:这种制备方法简便且成本较低 ,不仅可以
制备出大量石墨烯悬浮液 ,而且有利于制备石
墨烯的衍生物 ,拓展了石墨烯的应用领域。
缺点:唯一的缺点是制备的石墨烯存在一定的缺
陷 ,例如 ,五元环、七元环等拓扑缺陷或存在OH 基团的结构缺陷 ,这些将导致石墨烯部分电
学性能的损失。
问题解决:
1.将一般领域问题描述转换成39项工程参数的3项,即转换成TRIZ
标准问题:
通过氧化还原法的制备过程分析,把石墨结构上的基团处理定
义为“形状”的改变,其产生的缺陷定义为“物体产生的有害
因素”,而这种缺陷导致的电学性能损失定义为“信息损失”,
从而得到两组矛盾:形状和有害因素,有害因素和信息损失。

工程参数31物体产生的有害因素:指物体或系统的功能、效率
或质量降低的有害作用,这些有害作用一般来自物体或者与其
操作过程有关的系统,基团的处理会导致有害因素的增加,属
于改善参数。
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工程参数12形状:指一个物体的轮廓或外观。形状的变化可能
表示物体的方向性变化,或者表示物体在平面和空间两种情况
下的形变。

工程参数24信息损失:指系统数据或者系统获取数据部分或者
全部、永久或者临时的损失,经常也包括气味、材质等感性数
据,此问题中,电学性能的损失属于恶化参数。
2.根据得到的工程参数,确定解决问题需要的发明原理
(1)对形状和有害因素这组矛盾,查阅阿奇舒勒的技术
矛盾矩阵,得到推荐的发明原理序号:35,1

35号改变物理或化学参数原理:1.改变聚集态。2.改变浓
度或密度。3.改变柔性。4.改变温度。

1号分割原理: 1. 将物体分割为独立部分 。 2. 使物体成
为可组合的(易于拆卸和组装) 。 3. 增加物体被分割的
程度。

综合分析,35号和1号发明原理都有较好的应用价值。
(2)对有害因素和信息损失这组矛盾,查阅阿奇舒勒的技
术矛盾矩阵,得到推荐的发明原理序号:10,21,29

10号预先作用原理: 1. 事先完成部分或全部的动作或功
能。 2. 在方便的位置预先安置物体,使其在第一时间发
挥作用,避免时间的浪费。
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21号减少有害作用的时间原理: 1. 将危险或有害的步骤
在高速下进行。 2. 如果系统在执行一个动作器件出现了
有害功能或危险的状况,则考虑寻找各种方式来加快其执
行的速度。

29号气压和液压结构原理: 1. 将物体的固体部分用气体
或者流体代替。 2. 注意观察系统中是否包含具有可压缩
性、流动、湍流、弹性及能量吸收等属性的元件,出现上
述情况时,可用气动或液压元件代替原有零部件。

综合分析,10号和29号发明原理对问题解决贡献不大,
21号发明原理能比较有价值。
3.TRIZ解的类比应用得到问题的最终解:
 应用35号改变物理或化学参数原理可以得到如下解决方案:
1.对强氧化剂与强酸进行选择。这要结合化学知识库及其效应库
分析。
2.对还原的方法,如化学、热、溶剂等进行组合搭配。仍然要结
合化学知识库及其效应库分析。
应用1号分割原理可以得到如下解决方案:
1.将原料石墨碾成粉末或片状(增加分割程度)。增加与强氧化
剂或强酸反应的速率。

应用21号减少有害作用的时间原理可以得到如下解决方案:
1.在氧化和还原的化学过程中加入催化剂。目的有二:一个是加
速反应,减少反应时间,从而抑制缺陷产生;二是充分反应。
特别是还原过程,尽量增加含氧官能团还原数量,从而从而
减少缺陷产生。


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