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(fù)雜的化學(xué)工藝由氧化石墨烯制備石墨烯,期間加入非常強(qiáng)的氧化和還原劑,在這些苛刻的化學(xué)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(yàn)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(jī)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(jiān)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(jìn)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(gè)數(shù)量級的電流密度,顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的熱導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(tuán)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(dāng)?shù)某曊穹右蕴幚?。在空化效?yīng),高溫,高壓,微射流,強(qiáng)振動等附加效應(yīng)下,分子間的距離會不斷增加,最終導(dǎo)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(jìn)行層層剝離,從而獲得只有一個(gè)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(jī)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(fù)這個(gè)過程。
使用一種材料與膨化或引入缺陷的熱解石墨進(jìn)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(diǎn)：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(xué)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(jī)物氣體）通入到真空反應(yīng)器中，通過高溫使含碳的氣體分解碳化（通常為低碳的有機(jī)物氣體），在基底表面生長出一種碳單質(zhì)的過程。
缺點(diǎn)：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(jī)剝離法的好，高昂的成本及苛刻的設(shè)備要求都限制了其規(guī)?；苽涫?，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(dǎo)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(diǎn)：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(shí)需在超真空及高溫條件下生長，條件極為苛刻，設(shè)備要求高，無法實(shí)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(qiáng)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(diǎn)：Hummers法石墨烯分散：方法簡單，耗時(shí)較短，處理量大，安全無污染，是目前蕞常用的一種。
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