超聲波與石墨烯（片）的製備、剝離以及分散

超聲波製備石墨烯

由於(yu) 石墨的特殊特性已為(wei) 人所知，因此開發了幾種石墨製備方法。 除了在多步驟工藝中由氧化石墨烯化學生產(chan) 石墨烯之外，還需要非常強的氧化和還原劑。另外，與(yu) 從(cong) 其他方法獲得的石墨烯相比，在這些苛刻的化學條件下製備的石墨烯即使在還原後也經常含有大量缺陷。然而，超聲波是一種經過驗證的替代方法，可以生產(chan) 大量高質量的石墨烯。研究人員使用超聲波開發的方法略有不同，但一般而言，石墨烯生產(chan) 隻需一步即可完成。

舉(ju) 一個(ge) 特定石墨烯生產(chan) 過程的例子:將石墨加入稀有機酸，醇和水的混合物中，然後將混合物暴露於(yu) 超聲輻射下。該酸起“分子楔"的作用，將石墨烯片與(yu) 母體(ti) 石墨分離。 通過這種簡單的過程，產(chan) 生了大量未分散的，高質量的分散在水中的石墨烯。

石墨烯直接剝離

超聲波可以在有機溶劑、表麵活性劑/水溶液或離子液體(ti) 中製備石墨烯。這意味著可以避免使用強氧化或還原劑。Stankovich等(2007)在超聲作用下通過剝落產(chan) 生了石墨烯。超聲波處理濃度為(wei) 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於(yu) 1nm或厚度小於(yu) 1nm的石墨烯薄片，由此得出結論，在這些條件下，實現了氧化石墨烯*剝落得到單個(ge) 氧化石墨烯薄片。

石墨烯片的製備

通過用石墨烯納米片和二氧化鈦過氧化複合物熱水解懸浮液，製備非化學計量的TiO2石墨烯納米複合材料的生產(chan) 過程中，成功製備了大量純石墨烯片。純石墨烯納米片由天然石墨製成，使用超聲波處理器在 5bar 的高壓超聲波反應器中產(chan) 生的高強度空化場。所得到的石墨烯片具有高比表麵積的電子特性，可用作TiO2的良好載體(ti) ，以提高光催化活性。超聲波製備的石墨烯的質量遠遠高於(yu) Hummer方法得到的石墨烯，其中石墨被剝離和氧化。由於(yu) 超聲反應器內(nei) 的物理條件可以精確控製，並通過假設作為(wei) 摻雜劑的石墨烯的濃度將在 1-0.001% 的範圍內(nei) 變化，因此可以在商業(ye) 規模的連續係統中生產(chan) 石墨烯 。

超聲波處理氧化石墨烯

使用超聲輻射來製備氧化石墨烯（GO）層的製備工藝。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(ge) 不均勻的棕色懸浮體(ti) 。將所得懸浮液超聲處理（30分鍾，1.3×105J），並在幹燥（373K）後，製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。

石墨烯片的官能化

Xu和Suslick（2011）描述了一種一步法製備聚苯乙烯官能化石墨的方法。在他們(men) 的研究中，他們(men) 使用石墨薄片和苯乙烯作為(wei) 基本原料。 通過對苯乙烯（反應性單體(ti) ）中的石墨薄片進行超聲處理，超聲輻射導致石墨薄片機械化學剝離成單層和少層石墨烯薄片。同時，石墨烯薄片與(yu) 聚苯乙烯鏈的官能化也得以實現。同樣的官能團化過程也可以與(yu) 其他基於(yu) 石墨烯的複合材料乙烯基單體(ti) 進行。

碳納米卷的製備

碳納米卷材類似於(yu) 多壁碳納米管。與(yu) 多壁碳納米管的區別是開放的和內(nei) 表麵對其他分子的*可接近性。通過石墨與(yu) 鉀的嵌入、水中的剝離並對膠體(ti) 懸浮液進行超聲處理來濕化學合成。超聲輔助將石墨烯單層膜向上滾動成碳納米管（圖3），轉換效率高達80%，這使得納米管的生產(chan) 成為(wei) 商業(ye) 應用的熱點。

石墨烯分散體

石墨烯和氧化石墨烯的分散等級對於(yu) 利用石墨烯的全部潛力及其特定特性極為(wei) 重要。如果石墨烯不在受控條件下分散，則石墨烯分散體(ti) 的多分散性一旦被摻入器件中就會(hui) 導致不可預測或非理想的效果，因為(wei) 石墨烯的性質隨其結構參數而變化。超聲處理是一種經過驗證的處理方法，可以減弱層間力，並可以精確控製重要的加工參數。“對於(yu) 通常剝離為(wei) 單層片材的氧化石墨烯（GO），主要的多分散性挑戰之一是由於(yu) 薄片的橫向麵積的變化。通過改變石墨原料和超聲處理條件，GO的平均橫向尺寸可以從(cong) 400nm偏移到20μm。在許多其他的研究中已經證明了石墨烯的超聲分散可以產(chan) 生細小甚至膠體(ti) 漿液。

Zhang et al（2010）已經表明，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定的石墨烯分散體(ti) ，並且所製備的石墨烯片具有 712 S·m−1 的高導電率。傅立葉變換紅外光譜和拉曼光譜檢測結果表明，超聲製備方法對石墨烯的化學和晶體(ti) 結構的損傷(shang) 較小。