Preparación de grafeno hidrfílico por molienda de bolas

En este estudio, se propuso un método de molienda de bolas húmeen verde para exfoliar grafeno. Se añadió un derivado del grafeno para facilitar la exfolidel grafial. Este aditivo puede intercaleficazmente con capas de grafeno y mantener una dispersión estable en el agua. Se utilizó un molino de bolas planetario para explorar las condiciones óptimas del proceso de molienda de capas de grafeno. En las mejores condiciones, el tamaño de la hoja de grafeno era de alrededor de 1 nm, con más del 60% de las hojas de grafeno con menos de 5 capas.

Experimental

1.1 materiales y equipo

Materiales principales: grafito expandible con un tamaño de partícula de 180 µm (comprado de Qingdao Graphite Co., Ltd.), derivado del grafeno (hecho por él mismo), agua desionizada (hecho por él mismo).

Equipamiento principal: Balanza analítica electrónica (FA1004, Changsha Xiangping Technology Co., Ltd.), centrífuga (TG16-11, Changsha Pingfan Instruments Co., Ltd.), refriger(FD-1A-50, Beijing Boyikang Experimental Instrument Co., Ltd.), espectrofotómetro UV-visible (UV-5200PC, Shanghai Yuanxi Instruments Co., Ltd.), microscopio electrónico de escaneo (JSM/701F, JEOL Ltd.), microscopio electrónico de transmisión (JEM-2100, JEOL Ltd.), microscopio de fuerza atómica (DM FASTSCAN-i-SYS, Bruker), Digital 4-probe resistance tester (ST2722-SZ, Suzhou Jingge Electronics Co., Ltd.), Planetary ball Mill (YXQM-4L, Changsha MIQI Instrument Equipment Co., Ltd.), vacuum atmosphere tube resistance Furnace (STG series, Henan Santong Furnace Technology Co., Ltd.).

1.2 preparación de grafeno

El proceso de preparación del grafeno se ilustra en la figura 1. Específicamente, un molino de bolas planetario fue empleado como el equipo de exfoliación, con un frasco de nylon y bolas de zirconia utilizados para moler. Se mezclaron diferentes concentraciones de la derivada del grafeno con una suspensión de grafito (150 mL) y se agitaron durante 15 minutos para asegurar la disolución completa de la derivada del grafeno y una mezcla uniforme con polvo de grafito. La mezcla resultante se transfirió a la jarra de nylon del molino de bolas planetario, y bolas de zirconia de diferentes diámetros (10, 8, 5 mm) se añadien una relación de masa de 1:2:3. La muestra fue entonces sellada y fresada durante 4-24 horas a una velocidad de rotación de 320 RPM. Después de fresar, la muestra se centrifua 4.000 RPM para obtener un líquido claro que contiene una mezcla de grafeno y derivados del grafeno.

1.3 análisis y ensayos

Las mediciones de concentración se realizaron utilizando un espectrofotómetro de UV visible. El grado de defectividad y el número de capas en el grafeno se caracterizaron por espectroscopia Raman, y la relación del pico D al pico G se utilizó como un indicador de defectividad del grafeno. El grosor y el tamaño de las hojas de grafeno se observaron usando microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscode fuerza atómica (AFM). La conductividad eléctrica del polvo de grafeno fue determinada usando un probador de conductividad de cuatro sondas bajo una presión de 22 MPa.

Resultados y discusión

Durante el proceso de molienda de bolas, la rotación a alta velocidad de la jarra del molino de bolas planetario, tanto rotación como revolución, genera fuerzas de corte y colien la jarra. La fuerza cortante actúa sobre la superficie del grafito y el polvo de grafeno, superando las débiles fuerzas de van der Waals entre las capas de grafito, lo que lleva a su separación en hojas individuales. La fuerza de coliresulta en la rotura y exfoliación de las capas de grafito y grafeno.

El grafeno es hidrofóbico y no se dispersa bien en el agua. Sin embargo, en el proceso de exfoliación descrito en este estudio, la adición de un derivado hidrofílico del grafeno permitió que las hojas de grafeno exfolise se unieran efectivamente con el derivado del grafeno, haciendo el grafeno hidrofílico y dispersible en soluciones acuosas.

2.1 parámetros de proceso

Para maximizar la concentración de grafeno exfoliado y su rendimiento, se investigaron cinco parámetros clave del proceso. Estos parámetros incluyen el tiempo de molienda de bolas, la relación de grafito expandible a derivado de grafieno, la concentración inicial de grafiexpandible, y la relación de masa de bolas de molienda de zirconia. Todos los experimentos se llevaron a cabo a una velocidad de rotación del molino de bolas planetario de 320 RPM.

2.1.1 tiempo de molienda de bolas

El tiempo de molienda de la bola es un factor crucial que influye en la eficacia de la exfoliación del grafeno. Los tiempos de fresa más largos conducen a un aumento de la fricción y la colientre las bolas y el grafi, lo que resulta en una mejor exfoliación. Sin embargo, tiempos de fresdemasiado largos pueden aumentar la agregdel grafeno. Después de explorar varios tiempos de molienda de bolas en condiciones constantes, se determinó que el tiempo óptimo de exfoliación fue de 16 horas.

2.1.2 concentración inicial de grafito expansible

La concentración inicial de grafito expandible es otro parámetro crítico que afecta la concentración y el rendimiento del grafeno exfoliado. Concentraciones iniciales de grafito muy altas pueden conducir a una reducción de la calidad de exfoliación y aumento de la agregación. Por lo tanto, un rango de concentración inicial óptimo es crucial para una exfoliación efectiva. Se encontró que una concentración inicial de 50 g/L proporcionó los mejores resultados de exfoliación.

2.1.3 la proporción de bolas de molienda de Zirconia

El número y el tamaño de las bolas de molienda utilizadas son vitales para controlar la concentración de la exfoliación de grafeno y el grado de exfoliación. En el estudio se emplebolas de zirconia de tres diámetros diferentes (10, 8, 5 mm). Los experimentos mostraron que los diámetros de bola más grandes resultaron en una exfoliación menos efectiva debido a la reducción de la superficie y, por lo tanto, menos colisiones. Sin embargo, cuando los tres tamaños de bolas fueron mezclen en una proporción de 1:2:3 (10 mm:8 mm:5 mm), un aumento significativo en la concentración se observó, haciendo que la combinación de bolas de diferentes tamaños más eficaz. Adicionalmente, se determinó que una proporción de 1:60 de masa de bola a masa de grafiproporcionó los mejores resultados de exfoliación.

2.1.4 relación de derivde grafeno a grafito

La relación del derivado del grafeno al grafitambién juega un papel crucial en el proceso de exfoliación. Para determinar las condiciones óptimas, se eligió una proporción de 20:1. En esta relación, la concentración de grafeno exfolialcanzó su pico, y la derivada adicional del grafeno no afectó significativamente la concentración.

Mediante la exploración sistemática de las condiciones experimentales, se identificaron los siguientes parámetros óptipara la exfoliación del grafeno en un molino de bolas planetario: un tiempo de molienda de 16 horas, una concentración inicial de grafiexpanable de 50 g/L, una relación de masa de 1:20 de grafi, una combinación de bolas de molienda de zirconia con tres diámetros diferentes (10 mm, 8 mm y 5 mm) en una relación 1:2:3, y una relación de masa de 60:1 para las bolas y grafi. Bajo estas condiciones, se preparó con éxito grafeno con una concentración de 3,29 g/L y un rendimiento de 4,35%.

2.2 caracterización

El grafeno preparado se caracterizó usando espectroscopia UV visible, espectroscopia Raman, microscoelectrónica de transmisión (TEM), microscode fuerza atómica (AFM), y pruebas de conducconduceléctrica.

2.2.1 espectroscopia UV visible y espectroscopia Raman

Se obtuvo la foto de la dispersión estable de grafeno en agua y se utilizó la espectroscopia Raman para evaluar el grafeno's defectiveness and number of layers (en inglés). La relación de intensidad del pico D al G sugerque el grafeno tenía algunos defectos.

2.2.2 microscopía electrónica de transmisión (TEM)

El análisis TEM del grafeno preparado reveló láminas de grafeno finas de forma irregular con una distribución de tamaño lateral alrededor de 0-2 µm. La mayoría de las láminas de grafeno tenían dimensiones laterales de aproximadamente 1 − m.

2.2.3 microscopía de fuerza atómica (AFM)

Las observaciones de la AFM proporcionaron información sobre el espesor y el número de capas de las hojas de grafeno. El espesor de las láminas de grafeno fue medido en 2,2 nm, con un promedio de 6 capas.

2.2.4 conductividad eléctrica

Se probó la conducconduceléctrica del grafeno preparado, mostrando una conducconduceléctrica de 3.600 S/m cuando se sometió a una presión de 22 MPa. Esta conducconductividad era notablemente más alta en comparación con el grafeno producido por la reducción directa del óxido de grafeno (232 S/m).

conclusión

En resumen, este estudio emplecon éxito un método de molienda de bolas a base de agua para preparar nanomateriales de grafeno hidrófilo que podrían dispersarse de manera estable en el agua. Se identificaron condiciones óptimas de procesamiento para la exfoliación del grafeno, resultando en grafeno con menos de 5 capas, una distribución de tamaño lateral de alrededor de 1 − m, y una conductividad eléctrica de 3.600 S/m. Este método respetuoso con el medio ambiente, que utiliza agua como disolvente, es prometedor para aplicaciones industriales.