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

由于石墨的特殊特性已為人所知，因此開發(fā)了幾種石墨制備方法。 除了在多步驟工藝中由氧化石墨烯化學(xué)生產(chǎn)石墨烯之外，還需要非常強(qiáng)的氧化和還原劑。另外，與從其他方法獲得的石墨烯相比，在這些苛刻的化學(xué)條件下制備的石墨烯即使在還原后也經(jīng)常含有大量缺陷。然而，超聲波是一種經(jīng)過驗(yàn)證的替代方法，可以生產(chǎn)大量高質(zhì)量的石墨烯。研究人員使用超聲波開發(fā)的方法略有不同，但一般而言，石墨烯生產(chǎn)只需一步即可完成。

舉一個特定石墨烯生產(chǎn)過程的例子:將石墨加入稀有機(jī)酸，醇和水的混合物中，然后將混合物暴露于超聲輻射下。該酸起“分子楔"的作用，將石墨烯片與母體石墨分離。 通過這種簡單的過程，產(chǎn)生了大量未分散的，高質(zhì)量的分散在水中的石墨烯。

石墨烯直接剝離

超聲波可以在有機(jī)溶劑、表面活性劑/水溶液或離子液體中制備石墨烯。這意味著可以避免使用強(qiáng)氧化或還原劑。Stankovich等(2007)在超聲作用下通過剝落產(chǎn)生了石墨烯。超聲波處理濃度為 1mg/ml 石墨烯氧化物的熔液，AFM圖像顯示總是存在具有均勻厚度的薄片（1nm）,這些良好的氧化石墨烯剝離樣品中沒有厚度大于1nm或厚度小于1nm的石墨烯薄片，由此得出結(jié)論，在這些條件下，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯*剝落得到單個氧化石墨烯薄片。

石墨烯片的制備

通過用石墨烯納米片和二氧化鈦過氧化復(fù)合物熱水解懸浮液，制備非化學(xué)計(jì)量的TiO2石墨烯納米復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中，成功制備了大量純石墨烯片。純石墨烯納米片由天然石墨制成，使用超聲波處理器在 5bar 的高壓超聲波反應(yīng)器中產(chǎn)生的高強(qiáng)度空化場。所得到的石墨烯片具有高比表面積的電子特性，可用作TiO2的良好載體，以提高光催化活性。超聲波制備的石墨烯的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Hummer方法得到的石墨烯，其中石墨被剝離和氧化。由于超聲反應(yīng)器內(nèi)的物理?xiàng)l件可以精確控制，并通過假設(shè)作為摻雜劑的石墨烯的濃度將在 1-0.001% 的范圍內(nèi)變化，因此可以在商業(yè)規(guī)模的連續(xù)系統(tǒng)中生產(chǎn)石墨烯 。

超聲波處理氧化石墨烯

使用超聲輻射來制備氧化石墨烯（GO）層的制備工藝。將二十五毫克氧化石墨烯粉末懸浮在200毫升去離子水中。通過攪拌得到了一個不均勻的棕色懸浮體。將所得懸浮液超聲處理（30分鐘，1.3×105J），并在干燥（373K）后，制備超聲處理的氧化石墨烯。 FTIR光譜顯示超聲處理不改變氧化石墨烯的官能團(tuán)。

石墨烯片的官能化

Xu和Suslick（2011）描述了一種一步法制備聚苯乙烯官能化石墨的方法。在他們的研究中，他們使用石墨薄片和苯乙烯作為基本原料。 通過對苯乙烯（反應(yīng)性單體）中的石墨薄片進(jìn)行超聲處理，超聲輻射導(dǎo)致石墨薄片機(jī)械化學(xué)剝離成單層和少層石墨烯薄片。同時，石墨烯薄片與聚苯乙烯鏈的官能化也得以實(shí)現(xiàn)。同樣的官能團(tuán)化過程也可以與其他基于石墨烯的復(fù)合材料乙烯基單體進(jìn)行。

碳納米卷的制備

碳納米卷材類似于多壁碳納米管。與多壁碳納米管的區(qū)別是開放的和內(nèi)表面對其他分子的*可接近性。通過石墨與鉀的嵌入、水中的剝離并對膠體懸浮液進(jìn)行超聲處理來濕化學(xué)合成。超聲輔助將石墨烯單層膜向上滾動成碳納米管（圖3），轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%，這使得納米管的生產(chǎn)成為商業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn)。

石墨烯分散體

石墨烯和氧化石墨烯的分散等級對于利用石墨烯的全部潛力及其特定特性極為重要。如果石墨烯不在受控條件下分散，則石墨烯分散體的多分散性一旦被摻入器件中就會導(dǎo)致不可預(yù)測或非理想的效果，因?yàn)槭┑男再|(zhì)隨其結(jié)構(gòu)參數(shù)而變化。超聲處理是一種經(jīng)過驗(yàn)證的處理方法，可以減弱層間力，并可以精確控制重要的加工參數(shù)?！皩τ谕ǔ冸x為單層片材的氧化石墨烯（GO），主要的多分散性挑戰(zhàn)之一是由于薄片的橫向面積的變化。通過改變石墨原料和超聲處理?xiàng)l件，GO的平均橫向尺寸可以從400nm偏移到20μm。在許多其他的研究中已經(jīng)證明了石墨烯的超聲分散可以產(chǎn)生細(xì)小甚至膠體漿液。

Zhang et al（2010）已經(jīng)表明，通過使用超聲波，可以獲得具有高濃度1mg·mL-1和相對純的石墨烯片的穩(wěn)定的石墨烯分散體，并且所制備的石墨烯片具有 712 S·m?1 的高導(dǎo)電率。傅立葉變換紅外光譜和拉曼光譜檢測結(jié)果表明，超聲制備方法對石墨烯的化學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)的損傷較小。