【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 21:44:55 * 浏览: 189

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</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</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</a>

对物质具有选择性加热的特性。

碳资料的微波</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</a>会发生激烈的吸收，即Gr 是一种良好的吸波资料。微波</a>法制备Gr

时，前驱体吸收微波微波</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</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</a>液相剥离法制备石墨烯

微波</a>液相剥离法一般是将前驱体先浸入溶剂中，再进行微波</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</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'>微波</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</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</a>强吸收的特性，将EG 超声涣散到氨水溶液中，再微波</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</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</a>固相剥离法制备石墨烯

微波</a>固相剥离法是直接对石墨前驱体进行微波</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</a>功率以及前驱体中含氧量等因素有关。

薛露平等将微波</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</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</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</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</a>进程中吸收微波</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</a>发生局部高热并将热量传递给周围的GO，能引发微波</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</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</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</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</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</a>法的运用瓶颈，咱们以为这正是未来要研讨的要点。

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