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石墨烯

石墨烯应用介绍资料

一、石墨烯概述

石墨烯是是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。2004 年英国曼彻斯特大学科学家 Andre Geim Konstantin Novoselov 用机械剥离法成功分离出石墨烯,在科学界引起轰动,二人也因在石墨烯方面的开创性研究获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。

作为碳的同素异形体,石墨烯目前是世界上最薄的(约为头发丝的二十万分之一)、强度最大的、质量最轻、导电和导热性最好、透光性(白光透光率可达97.7%)和电子传输性最优异(电子在石墨烯中传输速度是在硅中传输速度的数百倍)的新型材料。与其他材料相比,石墨烯是极少见的集“透明、导电和柔性”三大属性于一体的材料。因此,石墨烯几乎在每个行业都有潜在的应用前景。

二、石墨烯为什么要控制粒径

单层石墨烯片径约为0.334nm,真正限制石墨烯大量使用的是其难以工业化的大规模生产。一方面,使用诸如化学气相沉积(CVD)的方法很难生产出大量的单层、性能优异的石墨烯;另一方面,生产成本又太高。

实际上,石墨烯落到商业应用面临的障碍有很多。这些包括材料本身的一些固有缺陷,例如缺少带隙,使其距离应用在电子领域还尚且困难。此外,想把石墨烯添加到另一种材料中时,要获得适当的分散性也很困难。没有一个“标准等级”也是石墨烯面临的问题。为了让潜在客户了解所使用的材料是否包含石墨烯,或者说包含什么样的石墨烯,如今仍然是一个问题。科研人员需要用难以执行并且耗费昂贵的测试,比如扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、X 射线光电子能谱、拉曼光谱以及其他方法来对材料进行全面表征。

为了脱离实验室应用到实际场景中,降低石墨烯制造成本,大量的企业在做功能化石墨烯以及石墨烯复合材料的应用。生产出来的石墨烯多为粉体、水性浆料、油性浆料。我们知道随着粒径的减小,当粒子尺寸下降到某一值时,往往具有界面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等纳米粒子独有的特性。故而针对这一类纳米材料,传统的纳米粒度检测又成为企业最重要的粒径检测手段。

三、粒径检测与样品处理

使用纳米粒度仪进行常规操作本文不做赘述,目前石墨烯粒径检测中,客户往往在分析和样品处理上存在误区,导致测试结果不理想,下文介绍两种检测思路,仅做参考,如需帮助欢迎致电美国PSS中国卓越中心。

1.超声处理

粒径检测传统方式是通过分析平均粒径来判断结果好坏,但是实际检测中,平均粒径往往不能真实的反映出两个样品的好坏差异,下图的案例是两个平均粒径及PI值相似的样品,实际使用中存在明显的质量差异,我们通过超声处理和Nicomp独有的多峰分布模式来一窥端倪。

1.样品1随着超声粒径变化

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2.样品2随着超声粒径变化

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说明:通过图1和图2两个样品随着超声的粒径分布变化,可以看出未处理时,通过检测我们可以看出样品1和样品2的结果相似,并且Nicomp多峰模式相似都仅有一个峰。随着超声的进行,两个样品平均粒径变化微弱,但是Nicomp多峰模式却将变化展示了出来,样品1的尾端大颗粒随着超声逐渐解团聚,变成更小的颗粒,呈现了第二个峰粒径从大到小的变化,而样品2无论如何超声,Nicomp多峰模式都仅展示一个峰,并且变化微弱。从而与实际使用中样品2更良好的质量做到了对应,找到了样品1质量较差的原因。

2.过滤处理

很多样品在制备后受限于保存环境,出现容易团聚不稳定的状态,为了获得真实的结果,样品检测前,需要进一步过滤处理,从而获得真实的粒径结果。下面展示的案例是一个石墨烯量子点样品,分别是通过0.45μm滤膜过滤前后的检测结果。可以看出,过滤前受限于团聚杂质的影响,样品的平均粒径为336nm,明显不符合产品要求,PI值也很大,呈现出峰型极宽的分布情况。当通过0.45μm的过膜过滤后,平均粒径降为44.5nmPI值下降,峰型变窄,结果与预期符合。

3过滤前粒径分布结果

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4过滤后粒径分布结果

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四、粒度检测解决方案

美国PSS粒度仪是专业从事粒度仪研发和生产的企业。其生产纳米粒度仪Nicomp系列具有独家的nicomp 多峰分布,可以有效的,高灵敏度的帮助客户分析样品,配合美国PSS中国卓越中心的技术人员多年的从业经验,为客户提供更准确,真实的粒径检测结果。