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    超声波石墨烯分散设备控制系统

超声波石墨烯分散系统

由于石墨的特殊特性已为人所知,因此开发了几种石墨制备方法。通过复杂的化学工艺由氧化石墨烯制备石墨烯,期间加入非常强的氧化和还原剂,在这些苛刻的化学条件下制备的石墨烯经常含有大量缺陷。

超声波是一种经过验证的替代方法,可以生产大量高质量的石墨烯。将石墨加入稀有机酸,醇和水的混合物中,然后将混合物暴露于超声波辐射下。该酸起“分子楔”的作用,将石墨烯片与母体石墨分离。 通过这种简单的过程,产生了大量未分散的,高质量的分散在水中的石墨烯。

石墨烯简介

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。 石墨烯的碳原子厚的碳薄片通过非键合相互作用形成石墨,并且具有极大的表面积。

“它是宇宙中最薄的物质,也是有史以来最坚固的物质。其表现出巨大的本征载流子迁移率,具有最小的有效质量(为零),可以在室温下进行微米长距离的传播而不散射。石墨烯可以维持比铜高6个数量级的电流密度,显示出创纪录的热导率和硬度,不透气,并能调和脆性和延性等相互冲突的特性。石墨烯中的电子传输用狄拉克式方程描述,该方程允许在台式实验中研究相对论量子现象。

超声石墨烯分散原理

超声波石墨烯分散设备是利用超声波的空化作用来分散团聚的颗粒。它是将所需处理的颗粒悬浮液(液态)放入超强声场中,用适当的超声振幅加以处理。在空化效应,高温,高压,微射流,强振动等附加效应下,分子间的距离会不断增加,最终导致分子破碎,形成单分子结构。该产品尤其对于分散纳米材料(如碳纳米管、石墨烯、二氧化硅等)有良好效果。

石墨烯分散目的

自然界中存在大量的石墨材料,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。单层石墨被称为石墨烯,在自由状态下不存在该物质,都以多层石墨烯层叠的石墨片的形式存在。由于石墨片的层间作用力较弱,可以通过外力进行层层剥离,从而获得只有一个碳原子厚度的单层石墨烯。

常用的分散方法

微机械剥离法

  • 用胶带直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来,不断重复这个过程。
  • 使用一种材料与膨化或引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,絮片状晶体中含有单层石墨烯。

缺点:石墨烯产量低,面积小,难以精确控制尺寸,效率低,不能大规模制备。

化学气相沉积法

将一种或多种含碳的气态物质(通常为低碳的有机物气体)通入到真空反应器中,通过高温使含碳的气体分解碳化(通常为低碳的有机物气体),在基底表面生长出一种碳单质的过程。

缺点:石墨烯的六角蜂窝状晶体结构,无法完全石墨化,品质不如微机剥离法的好,高昂的成本及苛刻的设备要求都限制了其规模化制备石墨烯,还需要加入催化剂降低了石墨烯纯度。

晶体外延取向生长法

一种是通过加热单晶 6H-SiC 脱除 Si,从而在 SiC 晶体表面外延生长石墨烯。石墨烯和 Si 层接触,这种石墨烯的导电性受到基底影响;另一种是利用金属单晶中的微量碳成分,通过在超高真空下高温退火,金属内碳元素在金属单晶表面析出石墨烯。

缺点:石墨烯薄膜厚度不均匀,难以控制,生成的石墨烯紧紧地黏贴在基底上难以剥离,会影响石墨烯的特性。同时需在超真空及高温条件下生长,条件极为苛刻,设备要求高,无法实现大规模、可控制备石墨烯。

氧化石墨还原法

氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得。主要有三种制备氧化石墨的方法:Brodie法,Staudenmaier法和Hummers法,其中Hummers法石墨烯分散需加入超声波辅助。

超声波波制备石墨烯

当以高强度超声处理液体时,传播到液体介质中的声波导致产生交替的高压(压缩)和低压(稀疏)循环,其速率取决于频率。 在低压循环期间,高强度超声波在液体中产生小的真空气泡或空隙。 当气泡达到不能再吸收能量的体积时,它们在高压循环期间剧烈塌陷。 这种现象称为空化现象。 在内爆期间,局部达到非常高的温度(约5,000K)和压力(约2,000atm)。 空化气泡的内爆也导致液体射流速度高达280 m/s。超声空化引起的物理化学变化,可应用于石墨烯制备。

超声波分散和解聚
超声波分散和解聚

空化诱导声化学在能量和物质之间提供了独特的相互作用,气泡内的热点为~5000K,压力为~1000bar,加热和冷却速率大于1010K s-1;这些特殊的条件允许进入一系列通常无法进入的化学反应空间,这允许合成各种不同寻常的纳米结构材料。

石墨烯直接剥离

超声波直接剥离制备的石墨烯的质量远远高于Hummer方法得到的石墨烯。超声波可以在有机溶剂、表面活性剂/水溶液或离子液体中制备石墨烯。这意味着可以避免使用强氧化或还原剂在超声作用下通过剥落产生了石墨烯。超声波处理浓度为 1mg/ml 石墨烯氧化物的熔液,AFM图像显示总是存在具有均匀厚度的薄片(1nm),这些良好的氧化石墨烯剥离样品中没有厚度大于1nm或厚度小于1nm的石墨烯薄片,由此得出结论,在这些条件下,实现了氧化石墨烯完全剥落得到单个氧化石墨烯薄片。

超声波石墨烯分散

超声波分散设备可用于石墨烯,油墨涂料等分散,均质化处理;石油乳化;中药萃取加工;细胞,压载水破碎,消毒处理;化工原料加速反应等方面。

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