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1、<p> 球磨法制備石墨烯的機(jī)理和研究進(jìn)展</p><p> 摘要:通過球磨法制備石墨烯是實(shí)現(xiàn)石墨烯最有前景的工業(yè)化生產(chǎn)方法之一。闡述了近幾年新興的球磨法剝離技術(shù)的研究進(jìn)展,剖析了該項(xiàng)剝離技術(shù)的力學(xué)機(jī)理,展望了球磨法制備高品質(zhì)石墨烯的應(yīng)用前景,對(duì)未來的進(jìn)一步研究指出來方向。 </p><p> 關(guān)鍵詞:球磨法;石墨烯;力學(xué)機(jī)理 </p><p>&l
2、t;b> 中圖分類號(hào):TB </b></p><p><b> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A </b></p><p> 文章編號(hào):16723198(2015)22023501 </p><p><b> 1引言 </b></p><p> 單層石墨烯是半金屬,其載流子有效質(zhì)量近似為零
3、,可以用狄拉克公式進(jìn)行描述。同時(shí),單層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)在第一布里淵區(qū)的兩個(gè)狄拉克點(diǎn)重疊,在常溫下的電子移動(dòng)率可達(dá)到2.5×105cm2V-1s-1,單層石墨烯可以承載的最大電流密度是銅的7,000,000倍。單層石墨烯有一個(gè)0.5-1.0 TPa的楊氏模型和一個(gè)高達(dá)130GPa的內(nèi)在強(qiáng)度,達(dá)到了理論預(yù)期值。此外,單層石墨烯的熱導(dǎo)電性能高達(dá)3000 W/(m?k),具有極高的氣體滲透阻力,透光率高達(dá)97.7%,石墨烯的這些優(yōu)良特
4、性,吸引了各個(gè)領(lǐng)域的研究人員,得出了豐富的研究成果,為今后的發(fā)展奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。 </p><p> 機(jī)械剝離技術(shù)中的力學(xué)機(jī)理在優(yōu)化剝離技術(shù)、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的過程中起到?jīng)Q定性作用??偟膩碚f,剝離石墨制備石墨烯薄片有兩種力學(xué)途徑,分別是正交力和剪切力。在剝離兩層石墨時(shí),可以利用正交力克服范德華力,比如用膠帶制備石墨烯的微機(jī)械剝離法;另外一種是利用石墨橫向的自潤(rùn)滑性,可以在兩個(gè)石墨片層之間橫向滑行。由此
5、可以推測(cè)通過優(yōu)化這兩個(gè)過程,來控制石墨烯剝離,從而高效的制備高品質(zhì)石墨烯。另一個(gè)輔助途徑是剝離過程中的碎化效果。剝離技術(shù)中的作用力可以將大的石墨顆粒或者石墨烯片層碎化成更小的顆粒。這種碎化效果有兩面性,一方面,可以減少石墨烯的橫向尺寸,這一點(diǎn)不利于形成大面積的石墨烯;另一方面,可以促進(jìn)剝離,因?yàn)樾☆w粒的石墨薄片更易于被剝離。這是由于小顆粒的石墨薄片中層與層之間的范德華力較小。在上述兩種機(jī)械途徑的基礎(chǔ)上,我們將深入探討球磨法。 </
6、p><p><b> 2球磨法 </b></p><p> 球磨法是粉末工業(yè)生產(chǎn)中的一種常用的技術(shù),是一種很好的產(chǎn)生剪切力的方法。在大多數(shù)球磨設(shè)備中,有兩種方法可以達(dá)到剝離和粉碎的效果。第一種是剪應(yīng)力,被認(rèn)為是很好的剝離機(jī)械路徑。這種方法可以制得大尺寸的石墨烯薄片。第二種是球在碾壓作用下發(fā)生碰撞和垂直沖擊作用,這種方法可以粉碎石墨烯薄片,有時(shí)甚至可以將晶體結(jié)構(gòu)粉碎成非
7、晶形的或不平衡相。因此期望的是減小第二種作用,從而制得高質(zhì)量和大尺寸的石墨烯。 </p><p><b> 2.1濕球磨法 </b></p><p> 起初,球磨法被用于減小石墨的尺寸,制得的石墨薄片厚度可以小于10nm。但是這種方法沒有進(jìn)一步制得石墨烯。直到2010年,隨著相同的理念在液相超聲制備石墨烯的方法中得到應(yīng)用,Knieke et al. and Zha
8、o et al.等人,改進(jìn)球磨技術(shù)后制得石墨烯。創(chuàng)新性工作結(jié)束后,球磨法制備石墨烯的研究得到蓬勃發(fā)展。行星球磨機(jī)和攪拌球磨機(jī),這兩種球磨技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。近期,石墨在濕相中用行星球磨法制備石墨烯的方法被不斷研究,首先將石墨分散在合適的溶劑中,這類溶劑具有足夠的表面能來克服石墨烯薄片之間的范德華力,比如DMF、NMP、tetramethyluren等溶劑,Zhao et al.等人用行星球磨法制得石墨烯。這個(gè)方法依賴于長(zhǎng)時(shí)間的碾磨(30h
9、)和低速(300rpm)旋轉(zhuǎn)托盤來確保剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用。表面活性劑的水溶液(比如:十二烷基硫酸鈉)也可以作為球磨石墨的一種濕介質(zhì),但是剝離程度是相對(duì)較低,而且后期還需要超聲處理。為了增加剝離程度和效率,Aparna et al.等人結(jié)合高能球磨法和液相溶劑結(jié)合。他們將石墨分散在1-芘羧酸和甲醇的混合溶液中,比在二甲基甲酰胺中剝離更快。與該方案相</p><p> 上述工作都是關(guān)于行星球磨法的,球磨法的優(yōu)勢(shì)是可以
10、提供功能化和剝離需要較高的能量,但是缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)的時(shí)間(幾十個(gè)小時(shí))而且需要超聲溶解等后續(xù)步驟。與行星球磨法相比,Knieke et al. and Damm et al.等人用濕的攪拌介質(zhì)球磨法需要較少的混合介質(zhì),而且制備過程中溫度比較容易控制。從技術(shù)角度看,他們優(yōu)化了球磨工具,減小介質(zhì)尺寸和攪拌速度,通過用振動(dòng)盤作為球磨工具,他們發(fā)現(xiàn)分散的碳濃度會(huì)隨著ZrO2直徑的增長(zhǎng)而增加,然而ZrO2直徑達(dá)到100μm,少層數(shù)的石墨烯(FLG
11、)濃度和百分比達(dá)到最大值。相反,也得到了攪拌渦輪速度依賴于攪拌介質(zhì)碾磨的結(jié)論。分散的碳濃度和FLG濃度都顯著高于振動(dòng)盤中的。這些結(jié)果證明,與振動(dòng)盤相比,攪拌介質(zhì)對(duì)制備石墨烯更有效。 </p><p><b> 2.2干球磨法 </b></p><p> 除了濕球磨法,干球磨法也被用于制備石墨烯。同時(shí)碾磨石墨和化學(xué)惰性水溶液無機(jī)鹽的混合溶液,石墨被成功剝離。隨后用水
12、洗并對(duì)磨粉成品進(jìn)行超聲可以制得石墨烯粉末。功能化和剝離相結(jié)合在制備過 </p><p> 程過程中是必須的,干球磨法也因此具有實(shí)用價(jià)值。 </p><p> 硫磺和石墨烯兩者之間有大的吸引力,Lin et al.等人通過球磨法研磨石墨和單質(zhì)硫的混合物來制備石墨烯/硫復(fù)合材料,其中的硫分子固定在石墨烯薄片上,在石墨烯表面形成交互作用的氫鍵。Leon et al.等人通過石墨與固態(tài)的商用三
13、聚氰胺的相互作用來剝離石 </p><p> 墨。與這些從面上功能化石墨烯的方法形成對(duì)照, </p><p> Jeon et al.等人提出用球磨法大規(guī)模制備石墨烯的邊緣功能化的路徑。他們?cè)跉?、二氧化碳、三氧化硫,或者二氧化碳和三氧化硫混合物中干球磨石墨。根?jù)空氣濕度不同,可以制得H-、COOH-、磺酸鍵、和羧酸/磺酸鍵功能化的石墨烯薄片。在干冰存在的條件下,碾磨原始的石墨烯薄片48
14、h,可以制得同質(zhì)的但更小的邊緣化羧酸化石墨顆粒(100~500nm),邊緣?mèng)人峄┛梢愿叨确稚⒃诟鞣N溶劑中,而且可以自剝離成單層或數(shù)層石墨烯納米片。那些邊緣選擇性功能化石墨烯被證明質(zhì)量高。 </p><p> 盡管球磨技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是大規(guī)模制備石墨烯的有效方法,球磨介質(zhì)由于高能量導(dǎo)致的分解,產(chǎn)生的缺點(diǎn)還不太清楚。由于在球磨過程中球磨介質(zhì)的分解不能被阻止,碎片化和缺陷將不可避免。這的確是一把雙刃劍。一方面,可以
15、被用于功能化石墨烯和提高剝離效率,另一方面,可以減小石墨烯尺寸,并引進(jìn)雜質(zhì),尤其是面上的雜質(zhì)。球磨法的選擇應(yīng)依賴于指定制備不同級(jí)別的石墨烯。 </p><p><b> 3結(jié)論與展望 </b></p><p> 機(jī)械剝離石墨制備石墨烯是一種大規(guī)模制備石墨烯的極具前景的方法。雖然制備石墨烯的方法和設(shè)備不同,但是剝離機(jī)理是一樣。比如產(chǎn)生剪應(yīng)力和正交力。從力學(xué)角度來說,
16、核心任務(wù)是克服原料中石墨烯層間的范德華力,一旦發(fā)生剝離,化學(xué)作用將起到關(guān)鍵作用,這一點(diǎn)超出了此次討論的范圍。 </p><p> 在本綜述中,我們介紹了濕球磨法和干球磨法。這些方法都被廣泛證明可以制備石墨烯,球磨法的特點(diǎn)是剪切力、高能制得功能化石墨烯。 </p><p> 盡管球磨法非常有前景,幾個(gè)問題仍需得到持續(xù)關(guān)注。如單層石墨烯的產(chǎn)量仍然很低,甚至,大量石墨沒有被剝離,需要離心分離
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