【干货】微波法——极具远景的无污染石墨烯制备技能

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【干货】微波法——极具远景的无污染石墨烯制备技能

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2018-12-25 * 浏览 : 67
石墨烯( Gr) 是一种由sp2 杂化的碳原子以六方形格子的办法成键构成的新型二维( 2D) 碳纳米资料。因为其π电子超共轭效应和特殊的结构,使其具有优异的电学与光学功能、力学功能、热传导性
能、极高的电荷载流子迁移率、出色的机械强度和柔韧性以及大的比外表积。Gr 被广泛研讨用于晶体管、液晶设备、电化学生物传感器、超级电容器、燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池等领
域。
 
现在,国内外制备Gr 的办法一般为机械剥离法、化学气相沉积法( CVD)、SiC 外延生长法、氧化复原法等。不同办法各有优缺点,且制备的Gr 在性质和描摹上差异较大,难以满足各个范畴对高质量
Gr 的需求。一起,这些办法还存在设备昂贵或工艺复杂等缺点,使得其规模化出产大为受限。所以,开展一种简洁方便、低能耗制备高功能Gr 的办法显得尤为重要。
微波法制备石墨烯原理
微波是一种能量办法,在介质中能够转化为热量。微波加热时,微波能量经过微波吸收剂转化为热能。在这个进程中,热从资料内部发生而不是从外部吸收热源,本身全体一起升温,热能利用率高,
资料全体温度梯度很小,差异于其他惯例加热办法。

1986 年,Gedye 等在研讨酯化反响时发现,微波</b></a>加热法能够极大进步反响速率,自此,微波组成开端进入研讨范畴。物质在微波</b></a>场中所发生的热量巨细与物质品种及其介电特性有很大关系,即微波</b></a>
对物质具有选择性加热的特性。
 
碳资料的微波</b></a>吸收能力高度依赖于它们的化学成分和结构,由Maxwell- Garnett 有用介质理论可知,Gr 的π-π共轭结构对微波</b></a>会发生激烈的吸收,即Gr 是一种良好的吸波资料。微波</b></a>法制备Gr
时,前驱体吸收微波微波</b></a>能量经过石墨化结构中π电子的移动转化为热能,将前驱体中的含氧官能团以及掺杂的物质快速分解成CO2和H2O 气体。当这些气体发生的压力超越片层间的范德华力时,
石墨层之间剥脱离,然后得到Gr。该法不只剥离效果较好,并且制备进程避免了运用化学复原剂。
 
Gr 的电学功能优异、比外表积极大( 理论值约2630 m2 /g) ,是极具远景的储能资料。在锂离子电池负极资料研讨中,运用快速、“体加热”办法的微波</b></a>加热法制备Gr 基纳米复合资料,能使产品形
貌更完好,粒径更均匀,便于Li + 的嵌入/脱嵌,然后进步锂离子电池的各项电化学功能。

微波</b></a>液相剥离法制备石墨烯

微波</b></a>液相剥离法一般是将前驱体先浸入溶剂中,再进行微波</b></a>加热剥离。液相剥离Gr 时,有机溶剂是最常用的剥离介质。不同的有机溶剂具有不同的外表张力和Hansen 溶解参数。运用最广泛是的N-甲
基吡咯烷酮( NMP) ,它具有合适的外表张力( 41mN/m) 和Hansen 溶解度参数( 18. 33 MPa1 /2 ) ,剥离效果较好。


王灿等将Hummers 法制备的石墨烯氧化物( GO) 涣散于NMP 溶液中,微波</b></a>处理后得到Gr 颗粒的悬浮液,再将悬浮液超声后得到稳定的Gr 涣散液。所得Gr 层数约为2~5 层,在微米标准范围内,呈透
明绢丝状,外表呈现出本征性皱褶。如图1 所示,所组成的Gr 能够很好地涣散在极性溶剂NMP 中,3 个月内不分层或不沉积。
 
但是,有机溶剂毒性大、价格昂贵的缺点不容忽视,因而,迫切需要寻找环境友好的溶剂。水是常用的溶剂之一,但GO亲水,而Gr疏水,故以水为溶剂时,由GO复原所制备的Gr 容易团聚。Chen 等以
GO为原料,运用N,N-二甲基乙酰胺( DMAc) 和水的混合溶液为溶剂(又是操控反响系统温度的介质) ,在干燥氮气维护下,于800W <a target=_blank href='http://www.high-power.com.cn'><b>微波</b></a>功率下将GO涣散液加热1~10 min,得到涣散于DMAc中的Gr产
物。该法制得的Gr尺度散布均匀,并可构成稳定的胶体。

 
Dong等开发了极其简易的制备纳米Gr片的办法:将胀大石墨(EG) 超声涣散在乙醇溶液中,采用家用炉700W微波</b></a>加热90s,经过扫描电镜(SEM) ,透射电镜( TEM) 和电子能量损失谱( EELS) 和原
子力显微镜(AFM) 调查标明,Gr 薄片的厚度约10μm、直径约2nm。Janowska 等基于石墨对微波</b></a>强吸收的特性,将EG 超声涣散到氨水溶液中,再微波</b></a>加热。片层间的氨水和水快速汽化分解,因为两
个Gr 片之间的范德华力约2eV·nm2,只需相对较弱的力便能完成剥离,并且氨水可提取后回收循环,明显降低了液相剥离中溶剂的很多运用。如图2 高分辨透射电镜( HR-TEM) 显现,所得Gr 层数
不超越10 层。

Sridhar 等以天然石墨、过硫酸铵、过氧化氢为原料超声后500 W 辐照90 s,过硫酸铵在微波</b></a>下先发生分解发生了氧自由基,在氧自由基的诱导下,石墨纳米片被切开; 然后过氧化氢分解并插入石墨
纳米片层间,石墨沿c 轴均匀胀大,得到蠕虫状Gr。经超声后部分脱落为石墨薄片。因为“外表能的最小化”,少层的Gr呈如图3a 所示的洋葱状。辐射下,Gr片层因为外表应力引起的应变现象
会发生一个较微弱的椭球结构,如图3b 所示。这种办法不只环保、友好,并且适合快速、很多制备纳米Gr片。

微波</b></a>固相剥离法制备石墨烯

微波</b></a>固相剥离法是直接对石墨前驱体进行微波</b></a>加热,使其剥离成单层或多层的Gr。在此进程中避免了有机溶剂的运用,生态友好且降低了成本。许多学者选用不同的前驱体或对前驱体处理后进行辐
照。常用的前驱体有GO 和EG。研讨标明,剥离效果与剥离时刻、微波</b></a>功率以及前驱体中含氧量等因素有关。
 
薛露平等将微波</b></a>加热时刻操控在0. 5~4 min,发现加热3min 得到的Gr中官能团残留较少且剥离最充分,其比外表积为412. 9m2 /g。Zhu等发现,加热功率越大所需要的剥离时刻越短,反之亦然。但
是上述办法所得产品层数较多,并且残留一定量的含氧官能团。
 
薛伟江等在微波</b></a>辐照的一起辅以真空负压环境,有助于强化Gr 的剥离效果、减少产品团聚,可得到2~3 层甚至是单层的Gr。
 
Hu 等和杨保成等发现,GO中的含氧量直接影响着其对微波</b></a>的响应程度。GO含氧量增加,其π-π共轭结构的尺度减小,明显降低了其微波</b></a>的吸收能力,反之亦然。杨保成等选择中度氧化的GO,有利
于微波</b></a>进程中吸收微波</b></a>对其进行剥离和复原。Hu 等在从GO 组成Gr 时添加了少数的Gr,经过Gr 吸收微波</b></a>发生局部高热并将热量传递给周围的GO,能引发微波</b></a>辐射下的雪崩般的脱氧反响,有利于高效
完成Gr 的组成。
 
朱勇利等经过Hummers 法制备了一系列不同pH 的GO,再经微波</b></a>胀大得到不同描摹的Gr。研讨发现,酸性GO中有盐酸分子,微波</b></a>效果时会敏捷挥发,促进其胀大剥离,胀大效果较好。

小烯谈论

研很多研讨标明,微波</b></a>法剥离Gr 以及制备Gr衍生物具有反响周期短、高效率、绿色无污染和所制备的Gr 描摹较完好、缺陷少等优点。但是微波</b></a>法剥离Gr 的产值有限,怎么拓宽到大规模的工业化生
产是现阶段微波</b></a>法的运用瓶颈,咱们以为这正是未来要研讨的要点。