Ultraheli abil grafeeni dispersioon
Ultraheli grafeeni dispersioon
Grafeen on maailma' õhuke ja kõva kahemõõtmeline materjal, mis koosneb ühest süsinikuaatomikihist. Selle väga hea tugevus, paindlikkus, elektrijuhtivus, soojusjuhtivus ja optilised omadused mängivad olulist rolli erinevates valdkondades. Looduslikus olekus pole ühekihilist grafeeni. Materjal eksisteerib tavaliselt kolmemõõtmelise grafiidina. Väga oluline on grafiidist eraldada ühekihiline grafeen.
Ultraheli grafeeni dispersiooni nimetatakse ka ultraheli grafeeni koorimiseks. Grafiitoksiidi redutseerimise meetod ja ultraheli vibratsioon võivad tõhusalt suurendada grafiitoksiidi kihi vahekaugust. Suurema kihivahega grafiitoksiid ei soosi mitte ainult teiste molekulide, aatomite jms sisestamist kihtide vahele, et moodustada grafiitoksiidi. Interkaleeruvat komposiitmaterjali on lihtne koorida ühekihiliseks grafiitoksiidiks, mis paneb aluse ühekihilise grafeeni edasine valmistamine.
Ultraheli hajumise põhimõte
Ultraheli grafeeni dispersioon on ultraheli kavitatsiooni kasutamine aglomeeritud osakeste hajutamiseks. See on töödeldavate osakeste suspensiooni (vedeliku) viimine ülitugevaks heliväljaks ja selle töötlemine sobiva ultraheli amplituudiga. Kavitatsiooni, kõrge temperatuuri, kõrge rõhu, mikrojugade, tugeva vibratsiooni jms lisamõjude korral suureneb molekulide vaheline kaugus pidevalt, mis põhjustab molekulide purunemise ja ühe molekulaarstruktuuri moodustumise. See toode on eriti efektiivne nanomaterjalide (näiteks süsiniku nanotorud, grafeen, ränidioksiid jne) hajutamiseks.
Looduses on palju grafiitmaterjale ja 1 mm paksune grafiit sisaldab umbes 3 miljonit grafeeni kihti. Ühekihilist grafiiti nimetatakse grafeeniks, mida vabas olekus ei eksisteeri, ja see eksisteerib mitme grafeenikihiga lamineeritud grafiidilehtedena. Kuna grafiitpleki vahekiht on nõrk, saab seda kihi haaval välise jõuga koorida, saades seeläbi ühekihilise grafeeni, mille paksus on ainult üks süsinikuaatom.
Tavaliselt kasutatavad dispersioonimeetodid
1. Mikromehaaniline koorimismeetod
Kasutage teipi, et koorida grafeenihelbed otse suurematest kristallidest ja korrake protsessi.
Kui materjali hõõrutakse pürolüütilise grafiidiga, millel on paisunud või mille sisse on ilmnenud defekte, tekivad puist grafiidi pinnal helvestetaolised kristallid ja helveste sarnased kristallid sisaldavad ühekihilist grafeeni.
Puudused: Grafeenil on madal saagikus, väike pindala, raskesti kontrollitav suurus, madal efektiivsus ja seda ei saa valmistada suures ulatuses.
2. Aurude keemilise sadestamise meetod
Vaakumreaktorisse viiakse üks või mitu süsinikku sisaldavat gaasilist ainet (tavaliselt madala süsinikusisaldusega orgaanilised gaasid) ning süsinikku sisaldav gaas laguneb ja karboniseeritakse (tavaliselt madala süsinikusisaldusega orgaanilised gaasid) kõrgel temperatuuril. Süsinikuelemendi kasvatamise protsess.
Puudused: grafeeni kuusnurkse kärgstruktuuri struktuuri ei saa täielikult grafitiseerida ja kvaliteet pole nii hea kui mikroarvutite koorimise meetod. Kõrge hind ja ranged varustuse nõuded piiravad grafeeni suuremahulist tootmist ning katalüsaatorite lisamine vähendab grafeeni puhtust.
3. Kristall-epitaksiaalse orientatsiooni kasvu meetod
Üks on Si eemaldamine üksikkristalli 6H-SiC kuumutamisega, kasvatades seeläbi SiC kristalli pinnal grafeeni epitaksiliselt. Grafeen puutub kokku Si kihiga ja substraat mõjutab selle grafeeni juhtivust; teine on metalli monokristalli süsinikjäägi komponendi kasutamine ülitugeva vaakumi all kõrgel temperatuuril lõõmutamise teel, metalli süsinikuelement on metalli üksikkristalli pinnal.
Puudused: grafeenikile paksus on ebaühtlane ja seda on raske kontrollida. Tekkinud grafeen kinnitub tihedalt substraadile ja seda on raske maha koorida, mis mõjutab grafeeni omadusi. Samal ajal peab see kasvama ülivaakumi ja kõrge temperatuuri tingimustes. Tingimused on äärmiselt nõudlikud ja nõuded seadmetele kõrged. Grafeeni suuremahulist ja kontrollitavat valmistamist ei ole võimalik saavutada.
4. Grafiitoksiidi redutseerimise meetod
Grafeenoksiid saadakse tavaliselt grafiidi oksüdeerimisel tugeva happega. Grafiitoksiidi valmistamiseks on kolm peamist meetodit: Brodie meetod, Staudenmaieri meetod ja Hummersi meetod. Nende hulgas vajab Hummers'i meetodi grafeeni dispersioon ultraheli abi.
Omadused: Hummersi meetodi grafeeni dispersioon: lihtne meetod, lühike aeganõudev, suur töötlemisvõimsus, ohutu ja saastevaba, praegu on see tavaliselt kasutatav.
5. Ultraheli abistatav meetod
Ultraheli grafeeni dispersioonisüsteem kasutab grafeenoksiidi valmistamiseks ultraheli abil Hummers'i meetodit, mis kasutab keskkonnana vedelikku ja lisab vedelikule kõrgsageduslikku ultraheli vibratsiooni. Kuna ultraheli on mehaaniline laine, siis molekulid seda ei ima ja põhjustab paljunemise ajal molekulide vibratsiooni. Kavitatsiooni efekti, see tähendab kõrgete temperatuuride, kõrgsurve, mikrojugade, tugeva vibratsiooni jms lisamõjude all olevate molekulide vaheline kaugus, suureneb molekulide keskmine kaugus vibratsiooni tõttu, mis viib lõpuks molekulid. Grafiitoksiidikihi vahekaugust saab tõhusamalt suurendada ja ultraheli võimsuse suurenemisega kipub saadud grafiitoksiidikihi vahe laienema.
Ultraheli abil vabanev hetkerõhk hävitab grafeenikihtide vahelise van der Waalsi jõu, muutes grafeeni raskemaks aglomeerumise. Suure vahekihivahega grafiitoksiid on kasulik mitte ainult grafiitoksiidi interkaleeruvate komposiitmaterjalide moodustamiseks teiste molekulide, aatomite jms sisestamise teel, vaid ka hõlpsasti kooritav ühekihiliseks grafiidoksiidiks, pannes aluse ühekihiline grafeen.
Ultraheli dispersiooniseadmeid saab kasutada grafeeni, tindikihtide jms dispersiooniks, homogeniseerimiseks; nafta emulgeerimine; Hiina meditsiini ekstraheerimise töötlemine; rakkude, ballastvee purustamine, desinfitseerimine; keemilised toorained reaktsiooni kiirendamiseks ja nii edasi.
