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超聲波分散在石墨烯制備中的作用

閱讀：1928 發(fā)布時(shí)間：2021-3-29

超聲分散是一種可靠的方法，可以從石墨薄片或顆粒中生產(chǎn)出石墨烯層。其他常見(jiàn)的分散技術(shù)（例如球磨機(jī)，輥磨機(jī)或高剪切混合器）容易受到使用侵蝕性試劑和溶劑的影響。而超聲波分散技術(shù)能夠很好得克服這個(gè)問(wèn)題，高效地制備石墨烯材料。

超聲波石墨烯分散

超聲波分散會(huì)使液體中的石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚顟B(tài)，即由于超聲波振動(dòng)效應(yīng)而對(duì)固體或流體進(jìn)行精細(xì)或超精細(xì)的超聲研磨。由于在液體介質(zhì)中產(chǎn)生的超聲場(chǎng)的特殊性，超聲分散提供了高度分散的均勻，化學(xué)純凈的懸浮液（粒徑小于1μm）。

超聲波制備石墨烯的原理

超聲制備石墨烯是基于空化效應(yīng)，因此不會(huì)破壞石墨烯內(nèi)部的量子結(jié)構(gòu)。超聲空化通過(guò)高功率超聲波，可以產(chǎn)生高頻振幅。高功率超聲可以用于液體的處理，例如混合，乳化，分散和解聚或研磨。當(dāng)以高強(qiáng)度對(duì)液體進(jìn)行超聲處理時(shí)，傳播到液體介質(zhì)中的聲波會(huì)導(dǎo)致交替的高壓（壓縮）和低壓（反射）循環(huán)，速率取決于頻率。在低壓循環(huán)中高強(qiáng)度超聲波會(huì)在液體中產(chǎn)生小的真空氣泡或空隙。當(dāng)氣泡達(dá)到無(wú)法吸收能量的體積時(shí)，它們會(huì)在高壓循環(huán)中劇烈塌陷。這種現(xiàn)象稱為空化。

空化作用

超聲波分散設(shè)備會(huì)將高頻振動(dòng)傳遞到液體中，這種機(jī)械應(yīng)力的施加能使石墨烯顆粒的團(tuán)聚分開(kāi)。在對(duì)液體進(jìn)行超聲處理時(shí)，傳播到液體介質(zhì)中的聲波導(dǎo)致高壓（壓縮）和低壓（反射）循環(huán)交替進(jìn)行。液體中的超聲空化會(huì)導(dǎo)致高達(dá)1000 km / h（約600 mph）的高速液體射流。這種射流在顆粒之間以高壓擠壓液體并將石墨烯彼此分離。較小的顆粒會(huì)隨著液體射流而加速并高速碰撞。高速碰撞產(chǎn)生的高強(qiáng)度的沖擊波不斷作用在石墨體表面，石墨會(huì)反射并產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)大量的微氣泡破裂時(shí)，石墨薄片之間的拉伸應(yīng)力不斷增加，石墨烯薄片會(huì)逐漸被剝離。

石墨烯的剝落與分散

如果要將石墨烯作為材料應(yīng)用，必須先將石墨烯均勻地分散到配方中。由于石墨烯具有疏水性，在沒(méi)有表面活性劑或分散劑的進(jìn)行穩(wěn)定的情況下，想獲得高濃度的石墨烯分散體是個(gè)困難的事情。石墨烯納米片（GNP）可以通過(guò)大功率超聲處理將石墨在溶劑中剝離而制成。超聲剝離的石墨烯可以用生物聚合物官能化以獲得水分散性石墨烯。通過(guò)超聲空化，可以將合成的石墨烯進(jìn)一步加工成穩(wěn)定的水基分散體。將石墨烯納米混入液體中很容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，超聲分散能夠?qū)⒃谒头撬畱腋∫褐袌F(tuán)聚的石墨烯破碎，可以發(fā)揮納米材料的全部潛能。氧化石墨烯是水溶性的，可以輕松地分散成穩(wěn)定的膠體。超聲波剝落和分散是一種非常有效，快速且經(jīng)濟(jì)高效的方法，可以在工業(yè)規(guī)模上合成，分散和功能化氧化石墨烯。為了控制氧化石墨烯（GO）納米片的尺寸，剝落方法起著關(guān)鍵作用。由于其可控的工藝參數(shù)，超聲剝離是生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯和氧化石墨烯時(shí)使用較為常用的分層技術(shù)。

石墨烯

超聲波輔助液相剝落

液相剝落（LPE）是一種用于石墨烯薄片剝落的有效方法。主要原理是將石墨或者氧化石墨作為原料加在某種特定的溶劑或者表面活性劑中攪拌熱插層，形成石墨烯預(yù)處理液，再借助大功率超聲設(shè)備發(fā)出的超聲波將石墨烯從石墨表面剝離出來(lái)。液相剝離方式[/caption] 超聲波輔助石墨烯剝落影響因素主要是超聲波的空化作用與高剪切力。超聲波處理過(guò)程中的空化作用使得分散在溶劑中的石墨被擠壓破碎。而超聲波的剪切力能使得溶劑形成微射流沖擊石墨表面，促進(jìn)石墨層與層之間的分離。