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超聲波石墨烯分散設(shè)備簡介

來源:杭州泛索能超聲科技有限公司   2023年12月29日 15:49  

介紹

超聲波石墨烯分散也稱超聲波石墨烯剝離,使用氧化石墨還原法,配合超聲波振動能有效地提高氧化石墨層間距,層間距較大的氧化石墨不僅有利于其他分子、原子等插入層間形成氧化石墨插層復(fù)合材料,而且易于被剝離成單層氧化石墨,為進(jìn)一步制備單層石墨烯打下基礎(chǔ)。

 

超聲波石墨烯分散
超聲波石墨烯分散

 

原理

超聲波石墨烯分散設(shè)備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))放入較強(qiáng)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)有良好效果。

 

超聲波聲化學(xué)設(shè)備
超聲波聲化學(xué)

 

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,從而獲得只有一個碳原子厚度的單層石墨烯。

 

超聲波聲化學(xué)設(shè)備
超聲波聲化學(xué)設(shè)備

 

常用的分散方法及缺點

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:石墨烯產(chǎn)量低,面積小,難以精準(zhǔn)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: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)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(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: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(shè)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(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:Hummers法石墨烯分散:方法簡單,耗時較短,處理量大,安全無污染,是目前較常用的一種。

 

超聲波石墨烯分散
超聲波石墨烯分散

 

超聲波石墨烯分散的優(yōu)勢

超聲波石墨烯分散系統(tǒng)采用超聲波輔助Hummers法制備氧化石墨烯,是以液體為媒介,在液體中加入高頻率超聲波振動。由于超聲是機(jī)械波,不被分子吸收,在傳播過程中引起分子的振動運(yùn)動??栈?yīng)下,即高溫、高壓、微射流、強(qiáng)烈振動等附加效應(yīng)下分子間的距離因振動增加其平均距離,最終導(dǎo)致分子破碎。能更有效地提高氧化石墨層間距,且隨著超聲波功率的提高,所得到的氧化石墨的層間距呈擴(kuò)大趨勢。

超聲波瞬間釋放的壓力破壞了石墨烯層與層之間的范德華力,使得石墨烯更加不容易團(tuán)聚在一起。層間距較大的氧化石墨不僅有利于其他分子、原子等插入層間形成氧化石墨插層復(fù)合材料,而且易于被剝離成單層氧化石墨,為進(jìn)一步制備單層石墨烯打下基礎(chǔ)。

 

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