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超声波石墨烯分散

超声波石墨烯分散

介绍

超声波石墨烯分散也称超声波石墨烯剥离,使用氧化石墨还原法,配合超声波振动能有效地提高氧化石墨层间距,层间距较大的氧化石墨不仅有利于其他分子、原子等插入层间形成氧化石墨插层复合材料,而且易于被剥离成单层氧化石墨,为进一步制备单层石墨烯打下基础。

超声波石墨烯分散
超声波石墨烯分散

原理

超声波石墨烯分散设备是利用超声波的空化作用来分散团聚的颗粒。它是将所需处理的颗粒悬浮液(液态)放入超强声场中,用适当的超声振幅加以处理。在空化效应,高温,高压,微射流,强振动等附加效应下,分子间的距离会不断增加,最终导致分子破碎,形成单分子结构。该产品尤其对于分散纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、二氧化硅等)有良好效果。

超声波声化学设备
超声波声化学

目的

自然界中存在大量的石墨材料,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。单层石墨被称为石墨烯,在自由状态下不存在该物质,都以多层石墨烯层叠的石墨片的形式存在。由于石墨片的层间作用力较弱,可以通过外力进行层层剥离,从而获得只有一个碳原子厚度的单层石墨烯。

超声波声化学设备
超声波声化学设备

常用的分散方法及缺点

1.微机械剥离法

用胶带直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来,不断重复这个过程。

使用一种材料与膨化或引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,絮片状晶体中含有单层石墨烯。

缺点:石墨烯产量低,面积小,难以精准控制尺寸,效率低,不能大规模制备。

2.化学气相沉积法

将一种或多种含碳的气态物质(通常为低碳的有机物气体)通入到真空反应器中,通过高温使含碳的气体分解碳化(通常为低碳的有机物气体),在基底表面生长出一种碳单质的过程。

缺点:石墨烯的六角蜂窝状晶体结构,无法完全石墨化,品质不如微机剥离法的好,高昂的成本及苛刻的设备要求都限制了其规模化制备石墨烯,还需要加入催化剂降低了石墨烯纯度。

3.晶体外延取向生长法

一种是通过加热单晶 6H-SiC 脱除 Si,从而在 SiC 晶体表面外延生长石墨烯。石墨烯和 Si 层接触,这种石墨烯的导电性受到基底影响;另一种是利用金属单晶中的微量碳成分,通过在超高真空下高温退火,金属内碳元素在金属单晶表面析出石墨烯。

缺点:石墨烯薄膜厚度不均匀,难以控制,生成的石墨烯紧紧地黏贴在基底上难以剥离,会影响石墨烯的特性。同时需在超真空及高温条件下生长,条件极为苛刻,设备要求高,无法实现大规模、可控制备石墨烯。

4.氧化石墨还原法

氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得。主要有三种制备氧化石墨的方法:Brodie法,Staudenmaier法和Hummers法,其中Hummers法石墨烯分散需加入超声波辅助。

特点:Hummers法石墨烯分散:方法简单,耗时较短,处理量大,安全无污染,是目前最常用的一种。

超声波石墨烯分散
超声波石墨烯分散

超声波石墨烯分散的优势

超声波石墨烯分散系统采用超声波辅助Hummers法制备氧化石墨烯,是以液体为媒介,在液体中加入高频率超声波振动。由于超声是机械波,不被分子吸收,在传播过程中引起分子的振动运动。空化效应下,即高温、高压、微射流、强烈振动等附加效应下分子间的距离因振动增加其平均距离,最终导致分子破碎。能更有效地提高氧化石墨层间距,且随着超声波功率的提高,所得到的氧化石墨的层间距呈扩大趋势。

超声波瞬间释放的压力破坏了石墨烯层与层之间的范德华力,使得石墨烯更加不容易团聚在一起。层间距较大的氧化石墨不仅有利于其他分子、原子等插入层间形成氧化石墨插层复合材料,而且易于被剥离成单层氧化石墨,为进一步制备单层石墨烯打下基础。

杭州泛索能超声

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