超聲波與石墨烯（片）的制備、剝離以及分散

超聲波制備石墨烯

由于石(shi)墨(mo)的(de)(de)(de)特殊(shu)特性已為人(ren)(ren)所知，因此開(kai)發了幾(ji)種石(shi)墨(mo)制(zhi)備(bei)方法(fa)。 除了在多步(bu)驟(zou)工(gong)藝中由氧化(hua)石(shi)墨(mo)烯化(hua)學生(sheng)產石(shi)墨(mo)烯之外(wai)，還(huan)需要(yao)非常強(qiang)的(de)(de)(de)氧化(hua)和(he)還(huan)原劑。另外(wai)，與從其他方法(fa)獲得的(de)(de)(de)石(shi)墨(mo)烯相比，在這些苛(ke)刻的(de)(de)(de)化(hua)學條件下(xia)制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)石(shi)墨(mo)烯即使(shi)在還(huan)原后也經(jing)常含(han)有(you)大量缺陷(xian)。然而，超(chao)聲(sheng)波(bo)是一種經(jing)過驗證的(de)(de)(de)替代(dai)方法(fa)，可以生(sheng)產大量高質(zhi)量的(de)(de)(de)石(shi)墨(mo)烯。研(yan)究人(ren)(ren)員使(shi)用超(chao)聲(sheng)波(bo)開(kai)發的(de)(de)(de)方法(fa)略有(you)不(bu)同，但一般而言，石(shi)墨(mo)烯生(sheng)產只需一步(bu)即可完(wan)成。

舉一個特定石(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)生(sheng)產過(guo)程(cheng)的(de)例子:將石(shi)(shi)(shi)墨(mo)加入(ru)稀(xi)有(you)機酸，醇和水(shui)(shui)的(de)混合物中，然(ran)后將混合物暴露于(yu)超聲輻射下。該(gai)酸起“分(fen)子楔(xie)"的(de)作用，將石(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)片與母體石(shi)(shi)(shi)墨(mo)分(fen)離。 通過(guo)這種簡單的(de)過(guo)程(cheng)，產生(sheng)了大量未分(fen)散的(de)，高(gao)質量的(de)分(fen)散在水(shui)(shui)中的(de)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)。

石墨烯直接剝離

超(chao)聲波(bo)可(ke)以在(zai)有(you)機溶劑(ji)、表面(mian)活(huo)性劑(ji)/水(shui)溶液或離(li)子液體中制(zhi)備(bei)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。這意味著可(ke)以避免使用強氧(yang)(yang)化或還原劑(ji)。Stankovich等(2007)在(zai)超(chao)聲作(zuo)用下通(tong)過剝落產生了石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。超(chao)聲波(bo)處理濃(nong)度為 1mg/ml 石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)氧(yang)(yang)化物的熔液，AFM圖像(xiang)顯(xian)示(shi)總是存(cun)在(zai)具有(you)均勻厚(hou)度的薄片（1nm）,這些良好(hao)的氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)剝離(li)樣品中沒有(you)厚(hou)度大于1nm或厚(hou)度小(xiao)于1nm的石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)薄片，由此得出結論，在(zai)這些條(tiao)件下，實現了氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)*剝落得到單個(ge)氧(yang)(yang)化石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)薄片。

石墨烯片的制備

通(tong)過用(yong)(yong)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)納(na)米(mi)片(pian)和二氧(yang)化(hua)(hua)鈦過氧(yang)化(hua)(hua)復合物熱水(shui)解懸(xuan)浮液，制(zhi)備(bei)(bei)非化(hua)(hua)學計量的(de)TiO2石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)納(na)米(mi)復合材(cai)料的(de)生產(chan)過程中，成功制(zhi)備(bei)(bei)了大(da)量純石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)片(pian)。純石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)納(na)米(mi)片(pian)由(you)天然石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)制(zhi)成，使用(yong)(yong)超(chao)(chao)聲波處理器在(zai) 5bar 的(de)高(gao)壓超(chao)(chao)聲波反應(ying)器中產(chan)生的(de)高(gao)強度(du)空化(hua)(hua)場。所得(de)到(dao)的(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)片(pian)具有高(gao)比表面(mian)積(ji)的(de)電子特(te)性，可(ke)用(yong)(yong)作TiO2的(de)良好載體(ti)，以提(ti)高(gao)光催化(hua)(hua)活(huo)性。超(chao)(chao)聲波制(zhi)備(bei)(bei)的(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)的(de)質量遠遠高(gao)于(yu)Hummer方法得(de)到(dao)的(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)，其中石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)被剝離和氧(yang)化(hua)(hua)。由(you)于(yu)超(chao)(chao)聲反應(ying)器內的(de)物理條件可(ke)以精確控制(zhi)，并(bing)通(tong)過假設作為摻雜劑的(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi)的(de)濃度(du)將(jiang)在(zai) 1-0.001% 的(de)范(fan)圍(wei)內變化(hua)(hua)，因此可(ke)以在(zai)商(shang)業規模的(de)連續系(xi)統中生產(chan)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)(xi) 。

超聲波處理氧化石墨烯

使(shi)用超聲(sheng)輻射來制備氧(yang)化石墨(mo)烯（GO）層(ceng)的(de)制備工藝。將二十五毫克氧(yang)化石墨(mo)烯粉(fen)末(mo)懸浮在200毫升去離子水中。通過(guo)攪拌得到了一個(ge)不(bu)(bu)均勻的(de)棕色懸浮體(ti)。將所(suo)得懸浮液超聲(sheng)處理(li)（30分鐘，1.3×105J），并在干(gan)燥（373K）后，制備超聲(sheng)處理(li)的(de)氧(yang)化石墨(mo)烯。 FTIR光(guang)譜(pu)顯(xian)示超聲(sheng)處理(li)不(bu)(bu)改變氧(yang)化石墨(mo)烯的(de)官能團(tuan)。

石墨烯片的官能化

Xu和(he)Suslick（2011）描述了一種一步(bu)法制備聚(ju)苯(ben)乙(yi)(yi)烯(xi)官能化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)的(de)方法。在他們的(de)研究中，他們使用石(shi)(shi)墨(mo)薄(bo)片和(he)苯(ben)乙(yi)(yi)烯(xi)作為基(ji)本(ben)原(yuan)料。 通過對苯(ben)乙(yi)(yi)烯(xi)（反應性單(dan)體）中的(de)石(shi)(shi)墨(mo)薄(bo)片進行超(chao)聲處理，超(chao)聲輻射導(dao)致(zhi)石(shi)(shi)墨(mo)薄(bo)片機械(xie)化(hua)學(xue)剝離成單(dan)層和(he)少層石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)薄(bo)片。同時，石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)薄(bo)片與(yu)聚(ju)苯(ben)乙(yi)(yi)烯(xi)鏈的(de)官能化(hua)也得以(yi)實現。同樣的(de)官能團化(hua)過程(cheng)也可(ke)以(yi)與(yu)其他基(ji)于石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)復(fu)合(he)材料乙(yi)(yi)烯(xi)基(ji)單(dan)體進行。

碳納米卷的制備

碳(tan)納(na)(na)米(mi)卷材(cai)類似于多(duo)壁(bi)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管。與多(duo)壁(bi)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管的(de)(de)區別是(shi)開放內表面對其他分子的(de)(de)*可接近(jin)性。通(tong)過(guo)石(shi)(shi)墨(mo)與鉀的(de)(de)嵌入、水中的(de)(de)剝離并(bing)對膠體懸(xuan)浮液進行(xing)超聲(sheng)處理來濕化(hua)學合成。超聲(sheng)輔(fu)助將石(shi)(shi)墨(mo)烯單(dan)層膜(mo)向上滾動成碳(tan)納(na)(na)米(mi)管（圖3），轉換效率高(gao)達(da)80%，這使(shi)得納(na)(na)米(mi)管的(de)(de)生產(chan)成為商業應用的(de)(de)熱點。

石墨烯分散體

石(shi)墨烯和氧化(hua)(hua)石(shi)墨烯的分(fen)散(san)(san)等級對于(yu)利用石(shi)墨烯的全部潛力及其(qi)(qi)特(te)定特(te)性極為重(zhong)要(yao)。如(ru)果石(shi)墨烯不在受控條件(jian)下分(fen)散(san)(san)，則石(shi)墨烯分(fen)散(san)(san)體的多分(fen)散(san)(san)性一(yi)旦被摻入器(qi)件(jian)中就會導(dao)致(zhi)不可(ke)(ke)預測或非(fei)理(li)想的效果，因為石(shi)墨烯的性質隨其(qi)(qi)結構參數而(er)變(bian)化(hua)(hua)。超聲(sheng)處理(li)是一(yi)種經過驗證的處理(li)方法(fa)，可(ke)(ke)以(yi)減弱層(ceng)間力，并可(ke)(ke)以(yi)精(jing)確控制重(zhong)要(yao)的加工參數。“對于(yu)通(tong)常(chang)剝離(li)為單層(ceng)片材的氧化(hua)(hua)石(shi)墨烯（GO），主要(yao)的多分(fen)散(san)(san)性挑戰之一(yi)是由于(yu)薄片的橫向面積(ji)的變(bian)化(hua)(hua)。通(tong)過改變(bian)石(shi)墨原料和超聲(sheng)處理(li)條件(jian)，GO的平均橫向尺寸(cun)可(ke)(ke)以(yi)從400nm偏(pian)移到20μm。在許(xu)多其(qi)(qi)他的研究中已經證明了石(shi)墨烯的超聲(sheng)分(fen)散(san)(san)可(ke)(ke)以(yi)產生細小(xiao)甚至膠體漿液。

Zhang et al（2010）已經表明(ming)，通過使用超(chao)聲(sheng)波(bo)，可以獲得具有(you)(you)高濃度1mg·mL-1和相對純的(de)石墨烯(xi)片(pian)的(de)穩定的(de)石墨烯(xi)分散體，并且所制(zhi)備的(de)石墨烯(xi)片(pian)具有(you)(you) 712 S·m?1 的(de)高導電率。傅(fu)立葉(xie)變(bian)換(huan)紅外光(guang)譜和拉曼光(guang)譜檢(jian)測結(jie)(jie)果(guo)表明(ming)，超(chao)聲(sheng)制(zhi)備方(fang)法對石墨烯(xi)的(de)化學和晶體結(jie)(jie)構(gou)的(de)損傷較小。

超聲波與石墨烯（片）的制備、剝離以及分散