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超聲波石墨烯分散的常用分散方法

更新時間:2022-06-08      點擊次數(shù):2204
   由于石墨的特殊特性已為人所知,因此開發(fā)了幾種石墨制備方法。通過復雜的化學工藝由氧化石墨烯制備石墨烯,期間加入非常強的氧化和還原劑,在這些苛刻的化學條件下制備的石墨烯經(jīng)常含有大量缺陷。
  超聲波是一種經(jīng)過驗證的替代方法,可以生產(chǎn)大量高質(zhì)量的石墨烯。將石墨加入稀有機酸,醇和水的混合物中,然后將混合物暴露于超聲波輻射下。該酸起“分子楔”的作用,將石墨烯片與母體石墨分離。 通過這種簡單的過程,產(chǎn)生了大量未分散的,高質(zhì)量的分散在水中的石墨烯。
  石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。 石墨烯的碳原子厚的碳薄片通過非鍵合相互作用形成石墨,并且具有極大的表面積。
  “它是宇宙中最薄的物質(zhì),也是有史以來堅固的物質(zhì)。其表現(xiàn)出巨大的本征載流子遷移率,具有最小的有效質(zhì)量(為零),可以在室溫下進行微米長距離的傳播而不散射。石墨烯可以維持比銅高6個數(shù)量級的電流密度,顯示出創(chuàng)紀錄的熱導率和硬度,不透氣,并能調(diào)和脆性和延性等相互沖突的特性。石墨烯中的電子傳輸用狄拉克式方程描述,該方程允許在臺式實驗中研究相對論量子現(xiàn)象。
  超聲波石墨烯分散是利用超聲波的空化作用來分散團聚的顆粒。它是將所需處理的顆粒懸浮液(液態(tài))放入聲場中,用適當?shù)某曊穹右蕴幚怼T诳栈?高溫,高壓,微射流,強振動等附加效應下,分子間的距離會不斷增加,最終導致分子破碎,形成單分子結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品尤其對于分散納米材料(如碳納米管、石墨烯、二氧化硅等)。
  石墨烯分散目的
  自然界中存在大量的石墨材料,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。單層石墨被稱為石墨烯,在自由狀態(tài)下不存在該物質(zhì),都以多層石墨烯層疊的石墨片的形式存在。由于石墨片的層間作用力較弱,可以通過外力進行層層剝離,從而獲得只有一個碳原子厚度的單層石墨烯。
  超聲波石墨烯分散的常用方法:
  常用的分散方法
  1.微機械剝離法
  用膠帶直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剝離下來,不斷重復這個過程。
  使用一種材料與膨化或引入缺陷的熱解石墨進行摩擦,體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體,絮片狀晶體中含有單層石墨烯。
  缺點:石墨烯產(chǎn)量低,面積小,難以精確控制尺寸,效率低,不能大規(guī)模制備。
  2.化學氣相沉積法
  將一種或多種含碳的氣態(tài)物質(zhì)(通常為低碳的有機物氣體)通入到真空反應器中,通過高溫使含碳的氣體分解碳化(通常為低碳的有機物氣體),在基底表面生長出一種碳單質(zhì)的過程。
  缺點:石墨烯的六角蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu),無法*石墨化,品質(zhì)不如微機剝離法的好,高昂的成本及苛刻的設備要求都限制了其規(guī)模化制備石墨烯,還需要加入催化劑降低了石墨烯純度。
  3.晶體外延取向生長法
  一種是通過加熱單晶 6H-SiC 脫除 Si,從而在 SiC 晶體表面外延生長石墨烯。石墨烯和 Si 層接觸,這種石墨烯的導電性受到基底影響;另一種是利用金屬單晶中的微量碳成分,通過在超高真空下高溫退火,金屬內(nèi)碳元素在金屬單晶表面析出石墨烯。
  缺點:石墨烯薄膜厚度不均勻,難以控制,生成的石墨烯緊緊地黏貼在基底上難以剝離,會影響石墨烯的特性。同時需在超真空及高溫條件下生長,條件極為苛刻,設備要求高,無法實現(xiàn)大規(guī)模、可控制備石墨烯。
  4.氧化石墨還原法
  氧化石墨烯一般由石墨經(jīng)強酸氧化而得。主要有三種制備氧化石墨的方法:Brodie法,Staudenmaier法和Hummers法,其中Hummers法石墨烯分散需加入超聲波輔助。
  特點:Hummers法石墨烯分散:方法簡單,耗時較短,處理量大,安全無污染,是目前蕞常用的一種。
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