超声波石墨烯分散系统

石墨烯是由单层碳原子构成的世界上较薄、较硬的二维材料，其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在各大领域都有重要的作用。自然状态下不存在单层石墨烯材料一般以三维的石墨存在，要在石墨中提取单层石墨烯变得非常重要。

超声波石墨烯分散也称超声波石墨烯剥离，使用氧化石墨还原法中的Hummers法，配合超声波振动能有效地提高氧化石墨层间距，层间距较大的氧化石墨不仅有利于其他分子、原子等插入层间形成氧化石墨插层复合材料，而且易于被剥离成单层氧化石墨，为进一步制备单层石墨烯打下基础。

石墨烯介绍

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，又叫做单原子层石墨。目前发现的较薄、强度较大、导电导热性能较强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”。

由于石墨烯具有十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。

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。

特点：Hummers法石墨烯分散：方法简单，耗时较短，处理量大，安全无污染，是目前较常用的一种。

超声辅助法

超声波石墨烯分散系统采用超声波辅助Hummers法制备氧化石墨烯，是以液体为媒介，在液体中加入高频率超声波振动。由于超声是机械波，不被分子吸收，在传播过程中引起分子的振动运动。空化效应下，即高温、高压、微射流、强烈振动等附加效应下分子间的距离因振动增加其平均距离，导致分子破碎。能更有效地提高氧化石墨层间距，且随着超声波功率的提高，所得到的氧化石墨的层间距呈扩大趋势。

超声波瞬间释放的压力破坏了石墨烯层与层之间的范德华力，使得石墨烯更加不容易团聚在一起。层间距较大的氧化石墨不仅有利于其他分子、原子等插入层间形成氧化石墨插层复合材料，而且易于被剥离成单层氧化石墨，为进一步制备单层石墨烯打下基础。

设备示意图

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