深度解读直接溶剂剥离法制备石墨烯

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1、2.2直接溶剂剥离法制备石墨烯流程图石墨烯自发现以来，其优异的物理化学性质赋予了其广泛应用前景。要实现石墨烯的应用，必须寻找一种合适的是石墨烯制备方法。目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，化学气相沉积法，还原氧化石墨烯法以及直接溶剂剥离法等。微机械剥离法和化学气相沉积法虽然能得到高质量的石墨烯，但是产率低，难以满足石墨烯在复合材料等领域的应用。还原氧化石墨烯法实现了石墨烯的低成本大规模制备，但是所得到的石墨烯含有大量的缺陷。采用直接溶剂剥离法，既保持了石墨烯结构的完整性，又能够实现石墨烯的大规模制备，引起了研究者广泛关注，且听“材料+”小编为你慢慢道

2、来。直接溶剂剥离法在大规模、低成本制备高质量石墨烯方面展示出了极大的优越性，且所得到的石墨烯分散在不同的溶液中，不仅有利于对石墨烯的进一步修饰，而且利于石墨烯的加工应用，如溶液混合制备高性能复合材料，旋涂制备石墨烯薄膜等。因此，发展直接溶剂剥离法制备石墨烯具有重大意义。何为液相或气相直接剥离法？文献中的定义是这样的：通常直接把石墨或膨胀石墨(EG)(一般通过快速升温至1000℃以上把表面含氧基团除去来获取)加在某种有机溶剂或水中,借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液，【材料+】微信平台将会为大家持续带来石墨烯的详细制备方法。2.

3、1.1原料的选择如果要制备片状石墨烯，最好选用鳞片石墨。当然，从石墨制备石墨烯产量相当低。例如，将石墨分散在有机溶剂中进行超声处理，得到石墨烯的产量不足1%。相对于石墨来说，膨胀石墨和石墨层间化合物具有更大的层间距，层与层之间的范德华力相对较小，得到单层石墨烯的产量更高。2.1.2剥离溶剂的选择Coleman小组研究表明；当溶剂的表面能与石墨烯相匹配时，溶剂与石墨烯之间的相互作用可以平衡剥离石墨烯所需的能量，适合剥离石墨烯的溶剂最佳表面张力范围应该在40~50mJ/m2（图2.3），且在N-甲基一毗咯烷酮(NMP）中产率最高。长时间的超声处理也可以提高单

4、层石墨烯的产率。接着他们又通过对溶剂参数进一步分析，如图2.4所示，发现剥离石墨的良溶剂需要满足Hansen溶剂常数（常见聚合物、溶剂的三维Hansen溶度参数都可以查的哦）匹配，δD～18.0MPa1/2,δP～9.3MPa1/2和δH～7.7MPa1/2。目前，通过对比分析研究表明，能够较好的直接剥离石墨的良溶剂有N-甲基-吡咯烷酮（NMP），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等[1]。图2.3不同溶剂表面张力对石墨浓度的关系图2.4溶剂对石墨烯的分散性与Hansen溶剂常数的关系。(A)色散力Hansen常数；(B)极性Hansen常数；(C)氢键Ha

5、nsen常数在目前的研究成果中，N-甲基-吡咯烷酮（NMP），N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是最好的剥离溶剂，这些溶剂普遍存在这价格昂贵，具有毒性，且高沸点等缺陷。水作为一种广为使用的溶剂备受人们青睐，但是水的表面能(70mJ·m-2)明显高于剥离石墨所需的表面能，因此需要结合其他方法来实现石墨在水中的剥离分散。通过向水中加入适当的表面活性剂可以降低水的表面张力。如下图所示，给出了不同表面活性剂协助剥离制备石墨烯的效果对比，从图2.5中可以看出，非离子型表面活性剂效果更好。图2.5不同表面活性剂制备得到的石墨烯溶液浓度比较[2]2.1.3制备工艺剥离通常

6、借助外部力量来克服层与层之间的相互吸引的范德华力来实现。通常采用的技术是超声，热处理，超临界。在超声过程中，剪切力和空化作用促进石墨的剥离。在热处理过程中，氧化石墨烯和石墨层间化合物中官能团的分解，克服层与层之间的范德华力而得到剥离。“材料+”微信平台，内容不错。在超临界处理过程中，由于超临界流体独特的性质，可渗透到石墨层间，通过快速放气可将石墨剥离开得到石墨烯。2.1.3.1超声工艺Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将石墨分散在N-甲基-吡咯烷酮(NMP)中,超声1h后单层石墨烯的产率为1%,而长时间的超声(462h)可使石墨烯浓度高达1.2m

7、g/mL,单层石墨烯的产率也提高到4%。研究表明,通过简单的增加超声时间可提高石墨烯的产率，但随着超声时间的增加，石墨烯片层尺寸相应地在减小。另外，值得一提的是，与普通的超声池相比，采用探针超声可以获得更高的石墨烯产率。在超声的过程中，添加表面活性剂可以提高石墨烯的产率，并有助于石墨烯分散在水溶液中。液相超声剥离法操作简便且能够实现大批量的规模化生产，但这种方法剥离程度和效率较低。2.1.3.2热处理工艺快速热处理：是将膨胀石墨在惰性气体氛围中快速升温到1000℃左右，在高温条件下，膨胀石墨或石墨层间化合物（石墨层间化合物是通式为XCy的化合物，它是使具

8、有极性的插入剂(酸、碱、卤素)分子或离子插入石墨层与碳网平面形成石墨层间化合物,