液相剥离法制备石墨烯的进展

自2004年Geim研讨小组首次制备出安稳的石墨烯以来,其引起了全世界科学家和研讨者的广泛重视。石墨烯的发现使碳资料构成了从零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯到三维金刚石和石墨的完整系统。石墨烯是各种碳资料结构的基本单元,是由单层sp2杂化碳原子摆放构成的蜂窝状六角平面晶体,具有优异的电学功能、热学功能以及力学功能。

石墨烯具有很高的电子搬迁速率 、杰出的导热功能 、极高的杨氏模量,其理论比外表积高达2630m2·g-1。石墨烯还具有完美的量子隧道效应、半整 数量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列功能。这些优异的功能使得石墨烯成为十分有使用价值的二维资料,如石墨烯能够使用于贮存气体和能量、微电子和光电、能量转换以及催化等许多方面。

现在,已经有许多制备石墨烯的办法,全体上能够分为 自下而上和自上而下两类。自上而下途径是从石墨动身(又可称为石墨途径),经过物理手法如机械力、超声波、热应力等破坏石墨层与层之间的范德华力来制备石墨烯的办法,首要包含微机械剥离法、液相或气相剥离法、球磨法等。

自下而上途径是从含碳的化合物动身(又可称为碳原子途径),经过等离子炮击等手法破坏含碳化合物的化学键,在基底上成长石墨烯的办法,首要有化学气相堆积(CVD)、SiC晶体外延成长法等。化学气相堆积法可制备大片层石墨烯,可是需求严苛的反应条件。

氧化复原法可大规划制备石墨烯,成本低,制得的石墨烯在许多溶液中均有杰出的涣散性,可是石墨烯片层缺点较大,复原后仍含有羧基、羟基以及羰基等基团,然后影响了石墨烯的优良功能。相比之下,液相剥离法是一种能够制备高质量石墨烯片层的办法,有望完成工业化出产。本文首要总结了超声波辅佐液相剥离法的相关报导。

1 液相剥离法

1.1 液相剥离制备石墨烯的简介

液相剥离法是一种能够完成工业化出产的办法,也适用于出产石墨烯复合资料。剥离制备石墨烯需求战胜石墨层与层之间的范德华力,而将石墨涣散在液体中是一种直接的有用减小范德华力的方法,这就使得液相剥离法具有完成工业化的可能性。液相剥离法一般分为3个过程:

(1)将石墨涣散在溶剂中,

(2)经过超声波、微波、剪切力、热应力以及电化学等手法辅佐剥离,

(3)离心分离得到石墨烯涣散液。液相剥离法制备石墨烯能够分为两类,包含直接液相剥离和助剂辅佐液相剥离,其间直接液相剥离是经过溶剂与石墨烯片层之间的相互作用使石墨烯安稳地涣散在溶剂中,而助剂辅佐剥离则是助剂在溶剂和片层之间作用,然后使石墨烯安稳地涣散在溶剂中。

1.2 超声波的影响

超声波是液相剥离法中常用的辅佐手法,液相剥离制备石墨烯的过程中有两个首要要素起着重要作用。一个是气穴现象,超声波处理过程中会有微气泡的生成、成长以及迸裂,会在液体中发生高密度与低密度快速替换的区域,使得压力在其间振动,液体中的气泡在高压下收缩、低压下膨胀,因为压力的改变十分快,致使气泡在石墨烯外表剧烈迸裂,这就使得涣散在溶剂中的石墨被压碎。另一个是剪切力,当微气泡在靠近石墨邻近但与石墨不触摸的地方迸裂时,使得 溶剂构成微射流冲击石墨外表,构成剪切力进而促进石墨层与层之间的分离。

超声波会影响石墨烯片层巨细以及厚度的散布状况,剥离制备的过程中石墨烯片层的巨细是一个重要参数。

Alaferdov等经过对剥离片层的计算,得到了超声辅佐剥离过程中石墨烯片层巨细以及厚度的散布方法。他们将粒径为1~3mm的天然石墨涣散在异丙醇和N,N-二甲基甲酰胺两种有机溶剂中进行超声波处理,最终离心分离取上层清液进行剖析,经过剖析计算满足数量的片层得到了不同超声时刻的片层巨细散布状况,总结出了超声波的发展过程,如图1所示。

他们指出超声时刻在48h内时,片层巨细呈对数正态散布,随着时刻的延长片层逐步减小,如图1(a)、(b)所示,可是当长时刻超声处理时,片层巨细趋向正态散布,如图1(c)所示。片层散布状况能够辅导石墨烯 的出产以及工艺过程的改善,当然片层散布也与超声波功率以及原料的巨细等要素有关,具体机理还需求进一步探究。

2 直接液相剥离

直接液相剥离所用的溶剂包含纯溶剂、二元溶剂以及离子液体等。当溶剂的外表能与石墨烯相匹配时,溶剂与石墨烯之间的相互作用能够平衡剥离石墨烯所需的能量然后剥 离出石墨烯。