一种用超声波辅助制备石墨烯的设备

许 衡

（杭州成功超声设备有限公司，浙江 杭州 311400）

一种用超声波辅助制备石墨烯的设备

许 衡

（杭州成功超声设备有限公司，浙江 杭州 311400）

文章给出了一种用超声波辅助制备石墨烯的设备，该方法主要利用了超声波在液体中会产生空化作用，通过空化作用产生大量能量，从而达到分散液体中固体颗粒的效果。

空化作用；石墨烯；氧化石墨烯

1 石墨制备研究

石墨烯具有非凡的物理性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。但因为产量、制备成本及成品质量方面的问题，一直没有大面积的应用。

目前石墨烯主要的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化—还原法、溶剂剥离法等，其中可以实现低成本的规模化生产的氧化—还原法、溶剂剥离法都需要利用超声波将石墨烯或氧化石墨烯溶液进行分散、分层。

超声波能起到分散作用是因为，超声波作用于液体中会产生空化作用，空化作用会形成微射流、振动等物理现象，产生巨大的能量，在微观上起到一种高速搅拌、破碎、分散的作用，从而达到石墨烯或氧化石墨烯分层效果。

在实验室内，超声波对于石墨烯制备的作用，已经被多次证明了。但是在工业化生产中的应用，很少被提及，本文主要介绍适应工业化生产的超声波辅助制备石墨烯的设备。

2 制备石墨烯方法介绍

2.1 氧化—还原法

氧化—还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨（GO），经过超声分散制备成氧化石墨烯（单层氧化石墨），加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

目前，氧化—还原法以其低廉的成本且容易实现规模化的优势成为制备石墨烯的最佳方法，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题。氧化—还原法唯一的缺点是制备的石墨烯存在一定的缺陷，将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。

2.2 溶剂剥离

溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。此方法不会像氧化—还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备高质量的石墨烯。以上两种方法都能进行规模化工业生产，且两者都需要用到超声波设备。

3 超声波在石墨烯制备中的应用效果

石墨原材料经过前道工序被制作成石墨烯或氧化石墨烯浆料，不同的浆料所需要的超声波强度及时间也略有不同。

图1是一种石墨烯浆料经过20 kHz超声波在水浴中超声作用30分钟后得到的光学显微镜下的效果图；图2是作用90分钟后得到的光学显微镜下的效果。超声波功率实测为2 450 W左右，反应釜容积5 L。

图1（1格小刻度为10 μm）

可以看到，在超声波作用下将石墨烯浆料，在水中通过分散剂的辅助下，达到剥离、分层的效果，而且基本都是在10 μm以下，进一步在电子显微镜下，可以看到透明的石墨烯，已经完全达到石墨烯的使用条件。

文章做过另一种石墨烯浆料，其经过20 kHz超声波在水浴中超声作用30分钟后也能达到剥离该石墨烯微粒的要求。在超声波功率满足剥离条件下，作用时间越长，效果越明显。

4 工业化超声波辅助制备石墨烯的设备介绍

4.1 设备原理及基本结构简介

利用超声波在液体中会产生空化作用这一重要特性，根据不同石墨烯浆料的特性，选择了两种反应方式：一种是大型反应釜形式，适合石墨烯浆料需要长时间的超声作用；另一种是连续小型反应釜串联形式，适用于不需要长时间反应的石墨烯浆料。文章主要讲述第二种超声波设备的结构。

如图3所示，采用流通式的反应模式，并加配了温度控制显示模块，压力控制模块，搅拌模块，功率控制模块，流量控制模块，让石墨烯浆料能在规定流量规定条件内充分反应。根据不同要求选择超声波设备的组数。

图3 超声波设备的结构

以上设备控制方式可采用远程&近程控制，能很好地接入整条生产线的上下游，达到工业化的生产线生产效果。

4.2 设备使用方法

图4所示是该设备的其中一种操作界面，该界面操作简便。只需先设定需要的流量、压力、功率，再打开泵、阀门、设备的一键启动即可。

图4 设备操作界面

操作员就可以在远程PC端实时监控设备的相关参数。一旦有异常情况设备及PC端均会有报警提醒，并按照报警的不同情况自动处理或等待操作员下一步指令。

4.3 设备维修及耗材更换

该设备一般为几十或几百套超声波分散设备的组合，单独一套或少数几套设备出现故障，可以不影响其他设备的正常运作。

而空化作用造成的气蚀影响，会直接反映在超声波发射头的作用端面上，在使用一段时间后，需要将发射头工作端面进行再次加工或者更换。

5 结语

文章通过超声波在石墨烯制备方面的应用分析，得出超声波在该应用方面有着重大作用，可以帮助实现石墨烯制备工业化生产。通过实验，本文还得出超声波在石墨烯浆料分散上的有效作用。在不同的石墨烯浆料下，超声波设备的结构也有所不同，需根据不同的工艺设计不同的超声波辅助制备设备。

[1]张伟娜.石墨烯的制备方法及其应用特性[J].化工新型材料，2010（s1）：15-18.

[2]NOVOSELOV K S, GEIM A K, MOROZOV S V, et al. Electric fi eldeffect in atomically thin carbon fi lms[J].Science, 2004（306）：666-669.

[3]]ZHANG YB , TAN Y W, Stormer H L , et al. Experimental observation of the quantum hall effect and berry’s phase in graphene[J]. Nature , 2005（438）：201-204.

[4]LEE C, WEI XD , KYSARJ W, et al. Measurement of the elasticproperties and intrinsic strength of monolayer graphene[J].Science, 2008（324）：385-388.

[5]MEYER J C, GEIM A K, KATSNELSON M I, et al. The structureof suspended graphene sheets[J].Nature, 2007（446）：602-603.

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

许衡（1984— ），男，浙江富阳。