一種用超聲波輔助制備石墨烯的設備

許 衡

（杭州成功超聲設備有限公司，浙江 杭州 311400）

一種用超聲波輔助制備石墨烯的設備

許 衡

（杭州成功超聲設備有限公司，浙江 杭州 311400）

文章給出了一種用超聲波輔助制備石墨烯的設備，該方法主要利用了超聲波在液體中會產生空化作用，通過空化作用產生大量能量，從而達到分散液體中固體顆粒的效果。

空化作用；石墨烯；氧化石墨烯

1 石墨制備研究

石墨烯具有非凡的物理性質，如高比表面積、高導電性、高機械強度、易于修飾等。2004年石墨烯的成功剝離，使石墨烯成為形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時代”的新潛力材料，其產品研發(fā)和應用目前正在全球范圍內急劇增加。但因為產量、制備成本及成品質量方面的問題，一直沒有大面積的應用。

目前石墨烯主要的制備方法主要有微機械剝離法、化學氣相沉積法、氧化—還原法、溶劑剝離法等，其中可以實現低成本的規(guī)模化生產的氧化—還原法、溶劑剝離法都需要利用超聲波將石墨烯或氧化石墨烯溶液進行分散、分層。

超聲波能起到分散作用是因為，超聲波作用于液體中會產生空化作用，空化作用會形成微射流、振動等物理現象，產生巨大的能量，在微觀上起到一種高速攪拌、破碎、分散的作用，從而達到石墨烯或氧化石墨烯分層效果。

在實驗室內，超聲波對于石墨烯制備的作用，已經被多次證明了。但是在工業(yè)化生產中的應用，很少被提及，本文主要介紹適應工業(yè)化生產的超聲波輔助制備石墨烯的設備。

2 制備石墨烯方法介紹

2.1 氧化—還原法

氧化—還原法是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨（GO），經過超聲分散制備成氧化石墨烯（單層氧化石墨），加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。

目前，氧化—還原法以其低廉的成本且容易實現規(guī)?；膬?yōu)勢成為制備石墨烯的最佳方法，而且可以制備穩(wěn)定的石墨烯懸浮液，解決了石墨烯不易分散的問題。氧化—還原法唯一的缺點是制備的石墨烯存在一定的缺陷，將導致石墨烯部分電學性能的損失，使石墨烯的應用受到限制。

2.2 溶劑剝離

溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化—還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以制備高質量的石墨烯。以上兩種方法都能進行規(guī)?；I(yè)生產，且兩者都需要用到超聲波設備。

3 超聲波在石墨烯制備中的應用效果

石墨原材料經過前道工序被制作成石墨烯或氧化石墨烯漿料，不同的漿料所需要的超聲波強度及時間也略有不同。

圖1是一種石墨烯漿料經過20 kHz超聲波在水浴中超聲作用30分鐘后得到的光學顯微鏡下的效果圖；圖2是作用90分鐘后得到的光學顯微鏡下的效果。超聲波功率實測為2 450 W左右，反應釜容積5 L。

圖1（1格小刻度為10 μm）

可以看到，在超聲波作用下將石墨烯漿料，在水中通過分散劑的輔助下，達到剝離、分層的效果，而且基本都是在10 μm以下，進一步在電子顯微鏡下，可以看到透明的石墨烯，已經完全達到石墨烯的使用條件。

文章做過另一種石墨烯漿料，其經過20 kHz超聲波在水浴中超聲作用30分鐘后也能達到剝離該石墨烯微粒的要求。在超聲波功率滿足剝離條件下，作用時間越長，效果越明顯。

4 工業(yè)化超聲波輔助制備石墨烯的設備介紹

4.1 設備原理及基本結構簡介

利用超聲波在液體中會產生空化作用這一重要特性，根據不同石墨烯漿料的特性，選擇了兩種反應方式：一種是大型反應釜形式，適合石墨烯漿料需要長時間的超聲作用；另一種是連續(xù)小型反應釜串聯形式，適用于不需要長時間反應的石墨烯漿料。文章主要講述第二種超聲波設備的結構。

如圖3所示，采用流通式的反應模式，并加配了溫度控制顯示模塊，壓力控制模塊，攪拌模塊，功率控制模塊，流量控制模塊，讓石墨烯漿料能在規(guī)定流量規(guī)定條件內充分反應。根據不同要求選擇超聲波設備的組數。

圖3 超聲波設備的結構

以上設備控制方式可采用遠程&近程控制，能很好地接入整條生產線的上下游，達到工業(yè)化的生產線生產效果。

4.2 設備使用方法

圖4所示是該設備的其中一種操作界面，該界面操作簡便。只需先設定需要的流量、壓力、功率，再打開泵、閥門、設備的一鍵啟動即可。

圖4 設備操作界面

操作員就可以在遠程PC端實時監(jiān)控設備的相關參數。一旦有異常情況設備及PC端均會有報警提醒，并按照報警的不同情況自動處理或等待操作員下一步指令。

4.3 設備維修及耗材更換

該設備一般為幾十或幾百套超聲波分散設備的組合，單獨一套或少數幾套設備出現故障，可以不影響其他設備的正常運作。

而空化作用造成的氣蝕影響，會直接反映在超聲波發(fā)射頭的作用端面上，在使用一段時間后，需要將發(fā)射頭工作端面進行再次加工或者更換。

5 結語

文章通過超聲波在石墨烯制備方面的應用分析，得出超聲波在該應用方面有著重大作用，可以幫助實現石墨烯制備工業(yè)化生產。通過實驗，本文還得出超聲波在石墨烯漿料分散上的有效作用。在不同的石墨烯漿料下，超聲波設備的結構也有所不同，需根據不同的工藝設計不同的超聲波輔助制備設備。

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An auxiliary preparation graphene devices with ultrasonic

Xu Heng
（Hangzhou Success Ultrasonic Equipment Co., Ltd., Hangzhou 311400, China）

This paper presents a method using ultrasonic assisted preparation of graphene devices, which is mainly used in the liquid ultrasonic cavitation generated, resulting in a lot of energy by cavitation, so as to achieve the effect of dispersion liquid of solid particles.

cavitation; graphene; graphene oxide

許衡（1984— ），男，浙江富陽。