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液相剝離法怎樣制備石墨烯?

鉅大LARGE  |  點擊量:5204次  |  2018年06月08日  

摘要
自2004年Geim研究小組首次制備出穩定的石墨烯以來,其引起了全世界科學家和研究者的廣泛關注。石墨烯的發現使碳材料形成了從零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯到三維金剛石和石墨的完整體系。

  自2004年Geim研究小組首次制備出穩定的石墨烯以來,其引起了全世界科學家和研究者的廣泛關注。石墨烯的發現使碳材料形成了從零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯到三維金剛石和石墨的完整體系。石墨烯是各種碳材料結構的基本單元,是由單層sp2雜化碳原子排列形成的蜂窩狀六角平面晶體,具有優異的電學性能、熱學性能以及力學性能。

  石墨烯具有很高的電子遷移速率、良好的導熱性能、極高的楊氏模量,其理論比表面積高達2630m2·g-1。石墨烯還具有完美的量子隧道效應、半整數量子霍爾效應、永不消失的電導率等一系列性能。這些優異的性能使得石墨烯成為非常有應用價值的二維材料,如石墨烯可以應用于儲存氣體和能量、微電子和光電、能量轉換以及催化等很多方面。

  目前,已經有很多制備石墨烯的方法,整體上可以分為自下而上和自上而下兩類。自上而下途徑是從石墨出發(又可稱為石墨途徑),通過物理手段如機械力、超聲波、熱應力等破壞石墨層與層之間的范德華力來制備石墨烯的方法,主要包括微機械剝離法、液相或氣相剝離法、球磨法等。

  自下而上途徑是從含碳的化合物出發(又可稱為碳原子途徑),通過等離子轟擊等手段破壞含碳化合物的化學鍵,在基底上生長石墨烯的方法,主要有化學氣相沉積(CVD)、SiC晶體外延生長法等?;瘜W氣相沉積法可制備大片層石墨烯,但是需要苛刻的反應條件。

  氧化還原法可大規模制備石墨烯,成本低,制得的石墨烯在很多溶液中均有良好的分散性,但是石墨烯片層缺陷較大,還原后仍含有羧基、羥基以及羰基等基團,從而影響了石墨烯的優良性能。相比之下,液相剝離法是一種能夠制備高質量石墨烯片層的方法,有望實現工業化生產。本文主要總結了超聲波輔助液相剝離法的相關報道。

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  1.1液相剝離制備石墨烯的簡介

  液相剝離法是一種可以實現工業化生產的方法,也適用于生產石墨烯復合材料。剝離制備石墨烯需要克服石墨層與層之間的范德華力,而將石墨分散在液體中是一種直接的有效減小范德華力的方式,這就使得液相剝離法具有實現工業化的可能性。液相剝離法通常分為3個步驟:

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 ?。ǎ玻┩ㄟ^超聲波、微波、剪切力、熱應力以及電化學等手段輔助剝離,

 ?。ǎ常╇x心分離得到石墨烯分散液。液相剝離法制備石墨烯可以分為兩類,包括直接液相剝離和助劑輔助液相剝離,其中直接液相剝離是通過溶劑與石墨烯片層之間的相互作用使石墨烯穩定地分散在溶劑中,而助劑輔助剝離則是助劑在溶劑和片層之間作用,從而使石墨烯穩定地分散在溶劑中。

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  超聲波是液相剝離法中常用的輔助手段,液相剝離制備石墨烯的過程中有兩個主要因素起著重要作用。一個是氣穴現象,超聲波處理過程中會有微氣泡的生成、生長以及炸裂,會在液體中產生高密度與低密度快速交替的區域,使得壓力在其間振蕩,液體中的氣泡在高壓下收縮、低壓下膨脹,由于壓力的變化非???,致使氣泡在石墨烯表面劇烈炸裂,這就使得分散在溶劑中的石墨被壓碎。另一個是剪切力,當微氣泡在靠近石墨附近但與石墨不接觸的地方炸裂時,使得溶劑形成微射流沖擊石墨表面,形成剪切力進而促進石墨層與層之間的分離。

  超聲波會影響石墨烯片層大小以及厚度的分布狀態,剝離制備的過程中石墨烯片層的大小是一個重要參數。

 ?。粒欤幔妫澹颍洌铮龅韧ㄟ^對剝離片層的統計,得到了超聲輔助剝離過程中石墨烯片層大小以及厚度的分布方式。他們將粒徑為1~3mm的天然石墨分散在異丙醇和N,N-二甲基甲酰胺兩種有機溶劑中進行超聲波處理,最后離心分離取上層清液進行分析,通過分析統計足夠數量的片層得到了不同超聲時間的片層大小分布狀態,總結出了超聲波的發展過程。

  他們指出超聲時間在48h內時,片層大小呈對數正態分布,隨著時間的延長片層逐漸減小,

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  直接液相剝離所用的溶劑包括純溶劑、二元溶劑以及離子液體等。當溶劑的表面能與石墨烯相匹配時,溶劑與石墨烯之間的相互作用可以平衡剝離石墨烯所需的能量從而剝離出石墨烯。

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