Dispersie ultrasonică de grafen
Introduce:
Dispersia ultrasonică de grafen, cunoscută și sub numele de exfoliere ultrasonică cu grafen, utilizează metoda de reducere a oxidului de grafen, combinată cu vibrații ultrasonice, pentru a crește în mod eficient distanța dintre straturile de oxid de grafen. Oxidul de grafen cu o distanță mai mare între straturi nu numai că facilitează inserarea altor molecule, atomi etc. în stratul intermediar pentru a forma materiale compozite intercalate cu oxid de grafen, dar este, de asemenea, ușor de exfoliat în oxid de grafen cu un singur strat, punând o bază pentru pregătirea ulterioară. de grafen cu un singur strat.
Principiu:
Echipamentul cu ultrasunete de dispersie a grafenului utilizează efectul de cavitație al ultrasunetelor pentru a dispersa particulele aglomerate. Aceasta implică plasarea suspensiei de particule necesare (lichid) într-un câmp sonor ultra puternic și procesarea acesteia cu amplitudinea ultrasonică corespunzătoare. Sub efecte suplimentare, cum ar fi cavitația, temperatură ridicată, presiune ridicată, microjet și vibrații puternice, distanța dintre molecule va continua să crească, ducând în cele din urmă la fragmentarea moleculară și formarea de structuri cu o singură moleculă. Acest produs este deosebit de eficient pentru dispersarea nanomaterialelor precum nanotuburi de carbon, grafen, silice etc.
Obiectiv:
Există un număr mare de materiale de grafit în natură, iar grafitul cu o grosime de 1 milimetru conține aproximativ 3 milioane de straturi de grafen. Grafitul cu un singur strat se numește grafen, care nu există în stare liberă și există sub formă de foi de grafen stratificate. Datorită forțelor interstraturilor slabe ale foilor de grafit, acestea pot fi dezlipite strat cu strat prin forțe externe, rezultând un grafen cu un singur strat cu o grosime de doar un atom de carbon.
Metode comune de dispersie și dezavantajele acestora:
1. Metoda de peeling micromecanic
Desprindeți foile de grafen direct din cristale mai mari folosind bandă și repetați acest proces continuu.
Frecarea dintre un material și grafitul pirolitic expandat sau defect are ca rezultat formarea de cristale floculente pe suprafața grafitului în vrac, care conțin un singur strat de grafen.
Dezavantaje: Grafenul are randament scăzut, suprafață mică, dificultăți în a controla cu precizie dimensiunea, eficiență scăzută și nu poate fi preparat la scară mare.
2. Metoda de depunere chimică în vapori
Procesul de introducere a uneia sau mai multor substanțe gazoase care conțin carbon (de obicei gaz organic cu emisii scăzute de carbon) într-un reactor de vid, descompunerea și carbonizarea gazului care conține carbon (de obicei gaz organic cu emisii scăzute de carbon) la temperatură ridicată și creșterea unui element de carbon pe suprafata substratului.
Dezavantaje: Structura cristalină hexagonală de tip fagure a grafenului nu poate fi complet grafitizată, iar calitatea sa nu este la fel de bună ca cea a metodei de exfoliere cu microcomputer. Costurile ridicate și cerințele stricte ale echipamentelor limitează prepararea pe scară largă a grafenului, iar adăugarea de catalizatori reduce, de asemenea, puritatea grafenului.
3. Metoda de crestere orientata epitaxial cristal
O metodă este de a elimina Si prin încălzirea monocristalului 6H SiC, astfel creșterea epitaxială a grafenului pe suprafața cristalelor de SiC. Grafenul și stratul de Si intră în contact, iar conductivitatea acestui grafen este afectată de substrat; O altă abordare este de a utiliza urme de carbon în cristalele simple de metal și, prin recoacere la temperatură înaltă sub vid ultra-înalt, elementul de carbon din interiorul metalului precipită grafenul pe suprafața monocristalului de metal.
Dezavantaje: Grosimea peliculei de grafen este neuniformă, greu de controlat, iar grafenul generat este strâns lipit de substrat, ceea ce face dificilă desprinderea, ceea ce poate afecta caracteristicile grafenului. În același timp, trebuie să crească în condiții extrem de dure de ultra-vid și temperatură ridicată, cu cerințe ridicate de echipare, ceea ce face imposibilă obținerea unei preparări pe scară largă și controlabilă a grafenului.
4. Metoda de reducere a grafitului oxidat
Grafenul oxidat se obține în general prin oxidarea acidă puternică a grafitului. Există trei metode principale de preparare a grafitului oxidat: metoda Brodie, metoda Staudenmaier și metoda Hummers. Printre acestea, metoda Hummers necesită adăugarea de asistență ultrasonică pentru dispersia grafenului.
Caracteristici: Metoda Hummers pentru dispersia grafenului: Metoda este simplă, consumatoare de timp, are o capacitate mare de procesare, este sigură și lipsită de poluare și este în prezent metoda cea mai frecvent utilizată.
Avantajele dispersiei ultrasonice ale grafenului:
Sistemul de dispersie de grafen cu ultrasunete folosește metoda Hummers asistată cu ultrasunete pentru a prepara oxidul de grafen, care utilizează lichid ca mediu și adaugă vibrații ultrasonice de înaltă frecvență lichidului. Datorită faptului că ultrasunetele sunt o undă mecanică care nu este absorbită de molecule, provoacă vibrații moleculare în timpul propagării. Sub efectul de cavitație, care include efecte suplimentare, cum ar fi temperatură ridicată, presiune ridicată, micro jet și vibrații puternice, distanța dintre molecule crește din cauza vibrației, ducând în cele din urmă la fragmentarea moleculară. Poate crește efectiv distanța dintre straturile de grafit oxidat, iar odată cu creșterea puterii ultrasonice, distanța dintre straturile obținute a grafitului oxidat arată o tendință de expansiune.
Presiunea instantanee eliberată de ultrasunete sparge forțele van der Waals dintre straturile de grafen, ceea ce face mai puțin probabil ca grafenul să se agrega. Distanța mare între straturile de oxid de grafen nu numai că facilitează inserarea altor molecule, atomi etc. în stratul intermediar pentru a forma materiale compozite intercalate cu oxid de grafen, dar, de asemenea, facilitează desprinderea în oxid de grafen cu un singur strat, punând o bază pentru pregătirea ulterioară a grafenului cu un singur strat.
