Effecten van tip ultrasoonapparaat parameters op vloeibare fase exfoliatie van grafiet in grafeen nanoplaatjes

Resultaten en discussie

Grafiet exfoliëren in BNP's in vloeibare media met verschillende oppervlaktespanningen

Figuur 1 toont de concentraties van het BNP in oplosmiddelmengsels van ethanol en ultrapuur water met oppervlaktespanningen van 22 tot 50 mJ/m ² . In detail worden de OD en massaconcentratie van de BNP-dispersies als functie van de oppervlaktespanning van de oplosmiddelmengsels weergegeven in figuur 1a. Bovendien wordt de relatie tussen de massaconcentratie en de OD van de BNP-dispersies weergegeven in het aanvullende bestand 1. Figuur 1b toont de relatie tussen de volumefractie van ethanol en de oppervlaktespanning van de oplosmiddelmengsels. De resultaten gaven aan dat de concentratie van de BNP-dispersies sterk afhing van de oppervlaktespanning van het oplosmiddelmengsel. Alle drie de gevlokken grafietmonsters dispergeerden het meest effectief in het ethanol (45 vol%)-water (55 vol%) mengsel met een oppervlaktespanning van ~-30 mJ/m ² , wat goed overeenkwam met eerdere literatuur [17]. Daarom is het ethanol/watermengsel met een oppervlaktespanning van 30 mJ/m ² werd geselecteerd als het dispergerende vloeibare medium om de geschilferde grafietmonsters te exfoliëren.

een Optische dichtheid en massaconcentratie van grafeendispersies geproduceerd door exfoliërende G10-, G30- en G100-vlokkengrafietmonsters als een functie van de oppervlaktespanning van ethanol-wateroplosmiddelmengsels. b Relaties tussen de oppervlaktespanning van oplosmiddelmengsels en de volumefracties van water (oranje) en ethanol (blauw)

Concentraties van BNP-dispersie geproduceerd met behulp van verschillende ultrasoonapparaatbevoegdheden en tijden

De concentraties van BNP-dispersie geproduceerd met behulp van verschillende sonicatiekrachten en -tijden werden bepaald met UV-Vis-spectroscopie. Figuur 2(a1), (b1) en (c1) tonen de OD en massaconcentratie van de BNP's geproduceerd in het water-ethanolmengsel met een oppervlaktespanning van 30 mJ/m ² als functies van het sonicatievermogen en de tijd. De resultaten gaven aan dat de concentratie van BNP-dispersies toenam met zowel het sonicatievermogen als de tijd. Merk op dat G100 niet werd geëxfolieerd in het ethanol-watermengsel met een oppervlaktespanning van 30 mJ/m ² bij sonicatievermogens van 60 en 100 W. Specifiek, voor dezelfde sonicatietijd, nam de concentratie van BNP-dispersies toe met sonicatievermogen. Bovendien nam bij hetzelfde sonicatievermogen de concentratie van de BNP-dispersies eerst snel toe en daarna langzamer naarmate de sonicatietijd langer werd. Zodra de sonicatietijd 120 min bereikte, bleef de concentratie van BNP-dispersies vrijwel onveranderd. Deze resultaten gaven aan dat de maximale concentratie van BNP-dispersies werd verkregen na een bepaalde sonicatietijd, waarna verdere sonicatie niet effectief was. Bovendien toonden de resultaten aan dat de concentraties van BNP-dispersies geproduceerd bij een sonicatievermogen van 300 W veel hoger waren dan die van dispersies geproduceerd bij sonicatievermogens van 60, 100 en 200 W.

Concentraties van BNP-dispersies geproduceerd door exfoliëren van (a1) G10, (b1) G30 en (c1) G100 met behulp van verschillende sonicatiekrachten en -tijden. De concentratie van BNP-dispersies geproduceerd door exfoliëren (a2) G10, (b2) G30 en (c2) G100 als een functie van de sonicatie-energie-invoer

Om de invloed van tip-sonicatievermogen en -tijd op de concentratie van de BNP-dispersies te evalueren, de relatie tussen de energie-invoer, d.w.z. E , (sonicatietijd vermenigvuldigd met sonicatievermogen) en de concentratie van de BNP-dispersies werd bepaald. Figuur 2(a2), (b2) en (c2) laten zien dat de relatie tussen de concentratie van de BNP-dispersies en de energie-input kan worden beschreven door \( {C}_g={aE}^{\raisebox{1ex}{ $1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.} \), waarbij C _g is de concentratie van de BNP-dispersie, en a is een parameter die wordt bepaald door de experimentele gegevens te passen. De a waarden voor de BNP-dispersies verkregen door exfoliëren van G10, G30 en G100 zijn 1,612 × 10 ^− 4 , 4.175 × 10 ^− 4 , en 1.061 × 10 ^− 4 mg/(ml · kJ ^½ ), respectievelijk. Deze resultaten toonden aan dat met toenemende energie-invoer de concentratie van de BNP-dispersie eerst snel toenam en daarna langzaam, wat goed in overeenstemming was met de eerdere bevindingen van Coleman [23] en Bracamonte [37] over het exfoliëren van grafiet in BNP's via badsonicatie .

Grootte van BNP's geproduceerd met verschillende ultrasoonapparaatkrachten en -tijden

Figuur 3 toont de grootte van BNP's geproduceerd door het exfoliëren van G10-, G30- en G100-vlokkengrafietmonsters met behulp van verschillende tip-sonicatie-krachten en -tijden. Afbeelding 3 (a1), (b1) en (c1) geeft de gemiddelde grootte weer van het BNP dat wordt geproduceerd door G10, G30 en G100 te exfoliëren met behulp van verschillende ultrasoonapparaatvermogens en -tijden van de tip. De gemiddelde grootte van het BNP werd bepaald door ongeveer 100 BNP's voor elk monster te analyseren. De resultaten gaven aan dat met toenemend sonicatievermogen en -tijd, de grootte van de geproduceerde BNP's iets afnam. Ongeacht de initiële grootte van het vlokkengrafiet, varieerde de grootte van de BNP's die werden geproduceerd met behulp van verschillende tip-sonicatietijden en vermogens van ~-1 tot ~-3 m. Omdat G100 niet werd geëxfolieerd bij sonicatievermogens van 60 en 100 W, toont Fig. 3(c1) alleen de grootte van BNP's die zijn geëxfolieerd bij sonicatievermogens van 200 en 300 W.

Gemiddelde grootte van BNP's geproduceerd met behulp van verschillende sonicatievermogens en -tijden om (a1) G10-, (b1) G30- en (c1) G100-vlokkengrafietmonsters te exfoliëren. SEM-afbeeldingen van de vlokkengrafietmonsters (a2) G10, (b2) G30 en (c2) G100. SEM-afbeeldingen van de BNP's geproduceerd door G10 te exfoliëren met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende (a3) ​​60 min, (a4) 120 min en (a5) 180 min. SEM-afbeeldingen van de BNP's geproduceerd door G30 te exfoliëren met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende (b3) 60 min, (b4) 120 min en (b5) 180 min. SEM-afbeeldingen van de BNP's geproduceerd door G100 te exfoliëren met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende (c3) 60 min, (c4) 120 min en (c5) 180 min

Om de invloed van ultrasoonapparaat op de grootte van geproduceerde BNP's te illustreren, worden SEM-afbeeldingen van deze drie grafietmonsters en BNP's verkregen door afschilfering bij een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W voor verschillende perioden gegeven in Fig. 3. De SEM-afbeeldingen van BNP's geëxfolieerd bij een tip ultrasoonapparaat vermogen van 60, 100 en 200 W voor 60, 120 en 180 min worden getoond in het aanvullende bestand 1. Specifiek, Fig. 3(a2), (b2), en (c2) toont de initiële maten van de grafietvlokken, dwz respectievelijk G10, G30 en G100. De afbeeldingen geven aan dat G10, G30 en G100 allemaal vele lagen dik waren en afmetingen hebben van respectievelijk ongeveer 10, 30 en 100 μm. Figuur 3(a3), (a4) en (a5) tonen SEM-afbeeldingen van BNP's geproduceerd door G10 te exfoliëren in ethanol-watermengsels met een tip-sonicatievermogen van 300 W gedurende respectievelijk 60, 120 en 180 minuten. Er kan worden vastgesteld dat wanneer de sonicatietijd 60 minuten was, de geproduceerde BNP's iets dikker waren dan die verkregen door sonicatie gedurende 120 of 180 minuten; de laatste twee sonicatietijden gaven BNP's van bijna dezelfde dikte. Afbeelding 3 (b3), (b4) en (b5) geven SEM-afbeeldingen weer van BNP's die zijn geproduceerd door G30 te exfoliëren met een tip-sonicatievermogen van 300 W gedurende respectievelijk 60, 120 en 180 minuten. Ondertussen tonen Fig. 3 (c3), (c4) en (c5) SEM-afbeeldingen van BNP's geproduceerd door G100 te exfoliëren met een tip-sonicatievermogen van 300 W gedurende respectievelijk 60, 120 en 180 minuten. Deze resultaten gaven allemaal aan dat met toenemende sonicatiekracht en -tijd de dikte van de geproduceerde BNP's afnam.

Over het algemeen toonden de resultaten aan dat met toenemende sonicatiekracht en -tijd de grootte van de geproduceerde BNP's iets afnam. Ongeacht de aanvankelijke grootte van het geschilferde grafiet, varieerden de BNP's die werden geproduceerd met behulp van verschillende tip-sonicatietijden en vermogens van ~-1 tot ~-3 μm.

Defectdichtheid van BNP's geproduceerd met verschillende ultrasoonapparaatbevoegdheden en tijden

De defectdichtheid van BNP's geproduceerd met behulp van verschillende sonicatiekrachten en -tijden werden bepaald met Raman-spectroscopie. Over het algemeen is de verhouding van de intensiteit van de D band op 1350 cm ^− 1 aan die van de G band op 1580 cm ^− 1 (Ik _D /Ik _G ) wordt gebruikt om de defectdichtheid van BNP's [33] te karakteriseren. Een kleinere I _D /Ik _G waarde geeft een lagere defectdichtheid van de BNP's aan. De ik _D /Ik _G waarden van de BNP's die zijn geëxfolieerd met behulp van verschillende sonicatiekrachten en -tijden worden weergegeven als histogrammen in Fig. 4 (a1), (b1) en (c1). Daarnaast worden typische Raman-spectra weergegeven van de aanvankelijke grafietvlokken en BNP's die zijn geëxfolieerd met vermogens van 60, 100, 200 of 300 W gedurende 60, 120 of 180 minuten in het aanvullende bestand 1. De I _D /Ik _G waarden van de BNP's stegen licht met toenemende tip-sonicatietijd en -kracht. Niettemin, de ik _D /Ik _G waarden van BNP's geproduceerd met behulp van de verschillende tip-sonicatievermogens en -tijden varieerden van ~ -0.1 tot ~ -0.3, wat aangaf dat alle geproduceerde BNP's een lage defectdichtheid hadden, dat wil zeggen dat ze van hoge kwaliteit waren. Bovendien illustreren aanvullend bestand 1:figuren S5, S6 en S7 dat met toenemende sonicatiekracht en -tijd de G banden van de BNP's werden breder, wat betekende dat de meeste defecten in de BNP's randdefecten waren in plaats van basale vlakdefecten.

Ik _D /Ik _G waarden van de BNP's geproduceerd met behulp van verschillende sonicatiekrachten en tijden van (a1) G10, (b1) G30 en (c1) G100. Ik _D /Ik _G waarden van de BNP's geproduceerd door exfoliëren (a2) G10, (b2) G30 en (c2) G100 als een functie van de sonicatie-energie-invoer

Om de invloed van tip-sonicatievermogen en -tijd op de defectdichtheid van de geproduceerde BNP's grondig te begrijpen, werd de energie-input tijdens exfoliatie overwogen. Afbeelding 4(a2), (b2) en (c2) toont de relaties tussen de I _D /Ik _G waarde en energie-input tijdens tip ultrasoonapparaat. Het is duidelijk dat, ongeacht de oorspronkelijke grootte van het monster van grafietvlokken, I _D /Ik _G van alle geproduceerde BNP's nam lineair toe met de energie-input. Het gaf aan dat om BNP's van hoge kwaliteit te produceren, het sonicatievermogen en de tijd moeten worden verminderd. Bovendien toonden de resultaten aan dat de I _D /Ik _G waarden van de BNP's geproduceerd door exfoliërende G30 waren veel lager dan die van BNP's geproduceerd door exfoliërende G10 en G100. Dit kan worden veroorzaakt door verschillen in de kwaliteit van de ongerepte grafietmonsters.

Sedimentatiegedrag van BNP's in een vloeibaar medium

Het sedimentatiegedrag van de BNP's in een vloeibaar medium vertegenwoordigt de stabiliteit van de grafeendispersie. Figuur 5 illustreert het sedimentatiegedrag van de BNP's in vloeibare media geproduceerd bij een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 30, 60, 120 en 180 minuten, geschat door de OD van de BNP-dispersies te bepalen als een functie van de sedimentatietijd. De sedimentatiecurven voor BNP-dispersies geproduceerd bij ultrasoonapparaatvermogens van 60, 100 en 200 W gedurende 30, 60, 120 en 180 min zijn te vinden in aanvullend bestand 1. De resultaten gaven aan dat de concentraties van de BNP-dispersies geproduceerd met behulp van verschillende sonicatie vermogens en tijden namen allemaal snel af gedurende de eerste 12 uur en werden vervolgens afgevlakt. Na sedimentatie gedurende 96 uur waren de concentraties van de BNP-dispersies geproduceerd door G10 te exfoliëren bij een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 60, 120 en 180 minuten, respectievelijk 61,8%, 70,1% en 70,5% van hun initiële concentraties. Voor G30 waren, na sedimentatie gedurende 96 uur, de concentraties van de BNP-dispersies geproduceerd met behulp van een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 60, 120 en 180 minuten 62,5%, 71,2% en 71,2% van de initiële concentratie van de overeenkomstige BNP-dispersies , respectievelijk. Ondertussen, na sedimentatie gedurende 96 uur van de BNP-dispersies geproduceerd uit G100 met behulp van een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 60, 120 en 180 minuten, waren de concentraties van de dispersies 65,9%, 71,6% en 72,3% van hun initiële waarden, respectievelijk.

Sedimentatiecurven van de BNP-dispersies geproduceerd door exfoliëren van a G10, b G30 en c G100 met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W

Deze resultaten gaven aan dat de concentraties van de BNP-dispersies die werden geproduceerd met behulp van verschillende sonicatievermogens en -tijden, allemaal snel afnamen gedurende de eerste 12 uur en vervolgens afvlakken. Na 96 uur sedimentatie waren de concentraties van de BNP-dispersies ongeveer 70% van hun oorspronkelijke waarden. Bovendien waren de stabiliteiten van de BNP-dispersies in vloeibare media geproduceerd bij verschillende sonicatievermogens gedurende 120 min bijna hetzelfde als die geproduceerd bij verschillende sonicatievermogens gedurende 180 min.

Implicaties voor het selecteren van de geschikte tip ultrasoonapparaatparameters

Op basis van de kwaliteit van BNP's die zijn geëxfolieerd met behulp van verschillende tip-sonicatie-krachten en -tijden, kan worden vastgesteld dat de grootte van de BNP's varieerde van ~-1 tot ~-3 m, ongeacht de initiële grootte van het geschilferde grafiet. Ondertussen, de ik _D /Ik _G waarden van de BNP's geproduceerd met behulp van verschillende tip-sonicatiekrachten en -tijden toonden aan dat alle BNP's van hoge kwaliteit waren. Bovendien waren de concentraties van BNP-dispersies geproduceerd bij een sonicatievermogen van 300 W veel hoger dan die van de dispersies geproduceerd bij sonicatievermogens van 60, 100 en 200 W. Bovendien gaven de sedimentatiecurven van de BNP-dispersies aan dat de stabiliteiten van de BNP-dispersies geproduceerd bij verschillende sonicatievermogens gedurende 120 minuten waren bijna hetzelfde als die van de dispersie geproduceerd bij verschillende sonicatievermogens gedurende 180 minuten. Rekening houdend met alle bovengenoemde factoren, denken we dat de geschikte ultrasoonapparaatparameters om grafiet te exfoliëren om BNP's te vormen, het ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 120 minuten kan zijn.

Bovendien is de dikte van BNP's over het algemeen een belangrijke indicator voor hun kwaliteit. Daarom werd de dikte van de BNP's geproduceerd door sonicatie bij 300 W gedurende 120 minuten verder bepaald door TEM. Figuur 6a-c toont de helderveld-TEM-afbeeldingen van BNP's geproduceerd door G10, G30 en G100 te exfoliëren met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende respectievelijk 120 minuten. Om de aanwezigheid van eenlagige of enkele laag BNP's te identificeren die zijn geproduceerd bij een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 120 minuten, werd een elektronendiffractiepatroon van de BNP's gemeten bij een invalshoek van 0 °. In het bijzonder toont figuur 6d een elektronendiffractiepatroon van het BNP in figuur 6b, dat een zesvoudig symmetriepatroon bevat dat consistent is met de typische kristalstructuur van een BNP. Bovendien is in dit hexagonale patroon de intensiteit van de {1100} punten sterker dan die van de {2110} punten. Om de verhouding van de intensiteit {1100} tot die van {2110} (I _{1100} /Ik _{2110} ), werden sommige punten door een lijn geplaatst, zoals weergegeven in Fig. 6d. Afbeelding 6e laat zien dat de binnenste pieken intenser zijn dan de buitenste en I _{1100} /Ik _{2110} is ongeveer 1.30. Eerder werk toonde aan dat wanneer I _{1100} /Ik _{2110} < 1, het BNP moet uit meerdere lagen bestaan ​​met AB-stapeling, terwijl wanneer I _{1100} /Ik _{2110}>-1, het BNP moet uit één laag bestaan ​​[38]. Daarom gaven de resultaten aan dat BNP's met één of enkele lagen werden geproduceerd met een ultrasoonapparaatvermogen van 300 W gedurende 120 minuten.

TEM-afbeeldingen van BNP's geproduceerd door a . te exfoliëren G10, b G30 en c G100 vlokken grafiet monsters bij een ultrasoonapparaat vermogen van 300 W gedurende 120 min. d Elektronendiffractiepatroon genomen vanaf de positie van de witte cirkel in b . e Diffractie-intensiteit genomen langs de lijn in d