液态法制石墨烯全解.ppt

液态法制石墨烯 什么是石墨烯 石墨烯，是一种由 sp2 杂化的碳原子以六方形格子的形式成键，所形成的碳的二维平面单层结构，是碳的同素异形体． 石墨烯是构建其他维数碳材料的基本单元，当它以包裹、卷绕和堆砌的方式变化时，可以分别形成零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的石墨． 石墨烯具有良好的电学与光学性能、力学性能、热传导性能以及极高的电荷载流子迁移率，同时还有出色的机械强度和柔韧性． 石墨烯的这些性质，让它受到众多关注而迅速成为研究的热点． 通过化学修饰处理的石墨烯及其衍生物更是具有特殊功能的材料，可用于晶体管、液晶装置、电化学生物传感器、超级电容器、燃料电池、太阳能电池等等． 石墨烯的研究发展前景  前边提到，石墨烯具有优异的光学、热学、电学及强度等优良特性，在物理、化学和材料学界引起了广泛的的关注和研究兴趣。然而制约它进入实际应用之一就是如何实现大规模，高质量的生产制备。目前，制备石墨烯的方法主要有四种：第一种是化学气相沉积法及其外延生长，如在Ni的表面分解乙烯；第二种方法是微机械剥离法，也被称作“Scotch Tape”法，通过反复用胶带粘高定向裂解石墨获得性能较好的单层石墨烯；第三种方法是在电气绝缘表面如SiC上外延生长石墨烯；第四种方法是通过胶状分散液来获得石墨烯。其中，微机械剥离法可以制备出少量石墨烯样本以供基础科研使用，但由于产量低，可控性差，不适于大规模工业化生产。另外，尽管达1cm2的大面积一层至少数层的石墨烯已经通过CVD法制得，单层石墨烯的均一性生长依然是个很大的挑战。 相比之下，由石墨、石墨衍生物如氧化石墨或石墨插层化合物首先得到胶体分散液，然后再制备出石墨烯这一途径操作简单、反应原材料便宜易得，因而可以实现量产，并且溶胶状的产物形式也为材料的加工成型带来了方便。另外，经化学方法处理所得的石墨烯还为研究石墨烯的化学改性提供了巨大的平台。但现阶段该方法依然存在一些问题和缺点亟待解决。首先是目前制备的石墨烯尺寸较小且生成的形状、尺寸具有随机性，阻碍了其的实际应用。另一方面，还原过程极易导致疏水的石墨烯产物的不可逆团聚。虽然添加价格昂贵的小分子稳定剂或精确地控制反应条件可以一定程度上抑制团聚的发生，但所得石墨烯溶液的浓度普遍很低，不利于进一步加工应用。因此，如何通过简便的手段获得高浓度且稳定的大面积石墨烯胶体分散液是采用这种方法的一大难题。 液相剥离机理 石墨作为碳的存在形式长期以来就得到广泛的应用.如制作铅笔芯、固体润滑剂等． 而石墨烯作为碳的新形态因其独特的优势也已经渐渐应用于纳米材料领域． 石墨是由层状结构组成的晶体，每一层由 sp2杂化的碳原子紧密排列，每一个这样的层状结构就是石墨烯． 石墨就可以看做是石墨烯层状结构通过范德华力相互粘结起来的，层间距大约为 0.34 nm． 在石墨结构中，单层石墨烯片之间的相互引力相当小，外部机械力即可克服，由于范德华力与分子间距离( r) 存在的反比关系( F = 1 /r6) ，所以扩大石墨层与层之间的距离可以减弱层间力甚至完全消除这种力． 当层间距离大于 5 时，范德华力则变为 0． 这一过程同样可以通过在石墨层间插入分子或原子实现． 此步骤叫做石墨插层． 经过该步骤处理的石墨，在超声波作用下可轻易分散制得少层石墨烯．石墨也可以在特定溶液中直接剥离或溶解成为石墨烯，这一过程类似于聚合物在特殊溶液中溶解. 已有的剥离体系 原始的石墨粉在特定溶液( 有机溶剂、离子溶液、水溶液) 中超声波处理可以分散成均匀石墨烯胶体溶液，石墨烯水平尺寸达到几纳米到几十纳米，且多为单层或少层石墨烯． 使用不同性质的溶剂对石墨烯的剥离效率的影响也不同． 下面介绍常用的几种剥离介质，并对比它们剥离石墨的效率。 1 .有机溶剂和助剂 在研究制备石墨烯的过程中，有机溶剂是最先用作剥离介质的物质，该想法源于已有的碳纳米管分散溶剂的理论和实验成果，实验证明用来制备碳纳米管的试剂也适用于制备石墨烯． 在不同有机溶剂中制备得到的石墨烯的浓度对比表明，要取得良好剥离效果，有机溶剂应该具备特定的表面张力( 约40 ～ 50 mN/m) 和适当的 Hansen 溶解度参数。 NMP 是制备石墨烯的代表性有机溶剂，也是运用最广泛的有机剥离介质 如果在有机溶剂加入辅助剂，会得到更好的剥离效果．例如在 NMP、DMA 或环己酮中添加 NaOH，混合液经过超声处理 1.5 h 得到的石墨烯浓度是相同情况下不加 NaOH 的 3 倍。 、 2. 水/表面活性剂溶液 有机溶剂作剥离介质时存在一些缺点，如毒性大，价格昂贵，难分离，生物相容性不好等． 水是良好的溶剂并且无毒性，在生物学中广泛应用． 如果水能够作为剥离介质有效地剥离石墨的话，研究开发价值将