Effets des paramètres de sonication de la pointe sur l'exfoliation en phase liquide du graphite en nanoplaquettes de graphène

Contexte

Le graphène est une sorte de matériau en couches bidimensionnel avec un module d'Young exceptionnellement élevé de ~ 1,0 Tpa, une conductivité thermique ultra-élevée de ~ 5000 W/(m · K), une transmittance élevée de 97,7%, une mobilité intrinsèque élevée de ~ 200 000 cm ² /(V · s), et une résistance extrêmement élevée à la perméation des gaz [1,2,3]. En raison de ces propriétés exceptionnelles, le graphène a un grand potentiel pour de nombreuses applications, notamment les capteurs, les appareils électroniques, les nanocomposites polymères avancés, le stockage d'énergie, les cellules solaires, les revêtements intelligents, les lasers ultrarapides, la catalyse et le marquage biologique [2, 4, 5, 6]. Les propriétés uniques et les applications potentielles ont conduit les chercheurs à explorer des méthodes prometteuses pour produire du graphène au cours des dernières années.

À ce jour, une série de méthodes ont été développées pour produire du graphène, telles que le clivage micromécanique [7], la réduction de l'oxyde de graphène [8, 9], le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [10] et l'exfoliation en phase liquide (LPE) [11,12,13,14]. Le clivage micromécanique peut être utilisé pour préparer des PNB de grande qualité de haute qualité, mais présente les inconvénients d'un faible rendement de production et d'un faible débit. La réduction de l'oxyde de graphène est largement utilisée pour produire des PNB; cependant, le processus de réduction n'élimine pas tous les groupes fonctionnels oxygène. Ainsi, les PNB produits par réduction d'oxyde de graphène conservent encore une densité de défauts élevée, ce qui dégrade leurs propriétés. Le CVD est une méthode prometteuse pour la production à grande échelle de graphène monocouche ou à quelques couches de haute qualité; cependant, le procédé nécessite des conditions de réaction chimique difficiles, telles qu'une température élevée et un vide, ce qui peut augmenter les coûts et poser des problèmes de sécurité. LPE a été réalisée pour la première fois par Coleman et al. [11] en sonicant du graphite dans des solvants organiques à l'aide d'un bain sonicateur. En raison de son faible coût, de sa simplicité et de son potentiel de production à grande échelle, le LPE a beaucoup attiré l'attention de nombreux chercheurs et est devenu une méthode prometteuse pour produire des PNB.

Généralement, le procédé LPE implique trois étapes [15], c'est-à-dire la dispersion du graphite dans un solvant approprié, l'exfoliation du graphite en PNB par différentes techniques, puis la purification des PNB. De nombreux chercheurs se sont efforcés de cribler des solvants prometteurs et de développer des techniques d'exfoliation potentielles. Concernant le criblage des solvants, plus de 60 solvants ont été utilisés à ce jour pour exfolier le graphite, dont divers solvants organiques [16], des solvants à bas point d'ébullition [17, 18], des solutions de tensioactifs [12, 19], des liquides ioniques [20], des solutions de polymères [21] et des solutions de biomolécules amphiphiles [22]. De plus, pour prédire les bons solvants, la théorie de la tension superficielle [11] et les paramètres de solubilité de Hansen [16] ont été utilisés pour explorer le mécanisme de l'exfoliation du graphite.

En termes de techniques d'exfoliation, la sonication [23,24,25,26], le mélange à haut cisaillement [27, 28], le broyage à billes [29] et l'homogénéisation à haute pression [30] ont été utilisés dans le LPE. Parmi ces méthodes, la sonication est largement utilisée en LPE, qui comprend deux catégories, à savoir la sonication en bain et la sonication en pointe. La sonication en bain est une méthode pratique et peu coûteuse pour exfolier le graphite [31]. Cependant, en raison de son faible apport énergétique et de sa faible efficacité d'exfoliation, le LPE avec sonication en bain a peu de potentiel pour la production à grande échelle de PNB. Récemment, certains chercheurs ont démontré que le taux de production de PNB peut être considérablement augmenté par une sonication de pointe à haute puissance [32,33,34] ou en combinant la sonication de pointe avec un mélange par cisaillement [35], et ont étudié les influences de la forme du vaisseau, de la concentration initiale de graphite , volume de liquide et tensioactif sur le rendement des PNB [33]. De plus, Gao et al. a présenté une méthode pour produire des PNB en exfoliant du graphite dans du CO₂ supercritique /H₂ O moyen via le couplage d'un réacteur sous pression avec un sonicateur à pointe et a étudié l'effet de la pression du système, la puissance de sonication, le rapport de CO ₂ supercritique /H₂ O, etc. sur le rendement en graphène [36]. De plus, certaines recherches ont proposé que l'efficacité de l'exfoliation et la qualité des PNB pourraient être influencées par les paramètres de sonication, tels que la puissance d'entrée, le temps de sonication, le diamètre de la sonde et la fréquence de sonication, etc. [14]. Cependant, peu de recherches ont été systématiquement menées pour comprendre l'effet des paramètres de sonication de pointe sur la qualité des PNB produits.

Cette étude vise à déterminer les effets de la puissance et du temps de sonication de la pointe sur l'exfoliation du graphite en PNB. Tout d'abord, une série de mélanges de solvants éthanol/eau avec différentes tensions superficielles a été utilisée pour disperser trois types d'échantillons de graphite en flocons. Le mélange de solvants avec la concentration de PNB la plus élevée a été sélectionné comme milieu liquide de dispersion. Ensuite, les qualités des PNB, y compris leur concentration, leur taille, leur densité de défauts et leur comportement de sédimentation, produits sous différentes puissances et durées de sonication de la pointe ont été déterminées. L'étude a des implications importantes pour la sélection des paramètres de sonication de pointe appropriés dans l'exfoliation du graphite en PNB.

Méthodes/Expérimental

Sélection du milieu liquide de dispersion

Selon la thermodynamique de surface, le changement de l'énergie libre de Gibbs (ΔG ) avant et après l'exfoliation du graphite peut être utilisé pour prédire la dispersion des PNB. Généralement, ΔG pour exfolier un morceau de graphite en PNB peut être exprimé sous la forme

où N est le nombre de PNB après dispersion et γ ^GL est l'énergie libre interfaciale entre les PNB et le milieu liquide. Selon la règle de combinaison, γ ^GL peut être calculé à partir de la tension superficielle des PNB (γ ^GV ) et la tension superficielle du milieu liquide (γ ^LV ), qui peut être exprimé par

Selon les équations. (1) et (2), γ ^GV est constant, évidemment, γ ^LV affecte la dispersion des PNB, ce qui a été indiqué par certaines études antérieures [11, 16]. De plus, on peut constater que lorsque γ ^GV est égal à γ ^LV , G est à son minimum, ce qui indique qu'il est favorable de disperser les PNB dans le milieu liquide.

Ici, pour sélectionner un milieu liquide de dispersion approprié, une série de mélanges de solvants binaires avec diverses tensions superficielles ont été préparés en mélangeant de l'éthanol et de l'eau ultrapure avec des rapports prédéfinis. Les tensions superficielles de ces mélanges de solvants (allant de 22 à 50 mJ/m ² ) ont été déterminés à 20°C avec un tensiomètre de surface (K100, Krüss GmbH, Allemagne). Dans l'étude, trois échantillons de graphite lamellaire disponibles dans le commerce avec des tailles de ~ 10 μm (noté G10 ; Xiamen Knano GNPs Technology Co. Ltd., Chine), ~ 30 μm (G30 ; Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd., Chine), et ~ 100 μm (G100 ; Xiamen Knano GNPs Technology Co. Ltd., Chine) ont été utilisés. Au cours de l'expérience, l'échantillon de graphite en flocons (4 mg) a été ajouté à une série de mélanges de solvants éthanol/eau (40 mL), puis exfolié à l'aide d'un sonicateur à pointe (Scientz-950E, Scientz Biotechnology Co. Ltd., Chine). La pointe du sonicateur avait un diamètre de 6 mm. La dispersion de PNB résultante a été centrifugée (TGL-10 K, Shanghai Anting Scientific Instrument, Chine) à 1 000 tr/min pendant 30 minutes pour éliminer les agrégations. Les concentrations de PNB dans une série de mélanges de solvants avec différentes tensions superficielles ont été mesurées en évaluant la densité optique (DO) de chaque dispersion à l'aide d'un spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-Vis) (Epoch, BioTek, Winooski, VT, USA). Le mélange de solvants avec la concentration de PNB la plus élevée a été sélectionné comme milieu liquide de dispersion pour les expériences suivantes.

Exfoliation du graphite à divers paramètres de sonication de pointe

Pour comprendre les effets de la puissance et du temps de sonication de la pointe sur le comportement d'exfoliation du graphite en PNB, les échantillons de graphite en paillettes ont été exfoliés par sonication de la pointe à une puissance de 60, 100, 200 ou 300 W pendant 10, 30, 60, 90, 120 ou 180 min. Dans chaque expérience d'exfoliation, du graphite en flocons (4 mg) a été ajouté au milieu liquide de dispersion sélectionné (40 mL), puis soniqué par le sonicateur à pointe. Un système de contrôle de la température avec un bain-marie thermostatique maintenait la dispersion à 20 °C pendant la sonication. La dispersion a été centrifugée à 1000 tr/min pendant 30 minutes pour sédimenter les flocons de graphite agrégés. Enfin, le surnageant a été collecté pour caractériser les propriétés des PNB produits sous différentes puissances et durées de sonication de pointe.

Caractérisation des PNB Produits

Pour évaluer la qualité des PNB produits à l'aide de diverses puissances et durées de sonication de pointe, les concentrations de dispersions de PNB, la taille, la densité de défauts et les couches des PNB, ainsi que le comportement de sédimentation des PNB dans le milieu liquide de dispersion sélectionné ont été caractérisés par divers méthodes. Plus précisément, la taille des PNB a été observée par microscopie électronique à balayage (SEM ; Nova NanoSEM 430, FEI, Hillsboro, OR, USA) à 10 kV. Des échantillons SEM ont été préparés en pipetant les dispersions de PNB sur des substrats de Si. La densité de défauts des PNB a été caractérisée par spectroscopie Raman (LabRAM HR800, Horiba Jobin-Yvon, France) à l'aide d'un laser 514 nm. Des échantillons pour la spectroscopie Raman ont été préparés en déposant des films GNP sur des lames de verre. Les concentrations de PNB dans les dispersions ont été mesurées en évaluant la DO de chaque dispersion à 600 nm à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (Epoch, BioTek, Winooski, VT, USA). Le comportement de sédimentation des PNB dans le milieu liquide de dispersion sélectionné a été estimé en déterminant le changement de concentration de PNB au fil du temps à l'aide du même spectrophotomètre UV-Vis. Les couches des PNB produits ont été déterminées par microscopie électronique à transmission (MET ; Tecnai F30, FEI, Hillsboro, OR, USA) à 200 kV. Des échantillons pour l'analyse MET ont été préparés en pipetant chaque dispersion de PNB sur une grille à mailles de carbone trouée.

Résultats et discussion

Exfoliation du graphite en PNB dans des milieux liquides avec différentes tensions de surface

La figure 1 montre les concentrations de PNB dans des mélanges de solvants d'éthanol et d'eau ultrapure avec des tensions de surface allant de 22 à 50 mJ/m ² . En détail, la DO et la concentration massique des dispersions de PNB en fonction de la tension superficielle des mélanges de solvants sont présentées sur la figure 1a. De plus, la relation entre la concentration massique et la DO des dispersions de PNB est indiquée dans le fichier supplémentaire 1. La figure 1b montre la relation entre la fraction volumique d'éthanol et la tension superficielle des mélanges de solvants. Les résultats ont indiqué que la concentration des dispersions de PNB dépendait fortement de la tension superficielle du mélange de solvants. Les trois échantillons de graphite en flocons se sont dispersés le plus efficacement dans le mélange éthanol (45 % en volume)-eau (55 % en volume) avec une tension superficielle de ~ 30 mJ/m ² , ce qui était en bon accord avec la littérature précédente [17]. Par conséquent, le mélange éthanol/eau avec une tension superficielle de 30 mJ/m ² a été sélectionné comme milieu liquide de dispersion pour exfolier les échantillons de graphite en flocons.

un Densité optique et concentration massique des dispersions de graphène produites par exfoliation d'échantillons de graphite en flocons G10, G30 et G100 en fonction de la tension superficielle des mélanges de solvants éthanol-eau. b Relations entre la tension superficielle des mélanges de solvants et les fractions volumiques d'eau (orange) et d'éthanol (bleu)

Concentrations de dispersion de PNB produites à l'aide de diverses puissances et durées de sonication

Les concentrations de dispersion de PNB produites en utilisant diverses puissances et durées de sonication ont été déterminées par spectroscopie UV-Vis. La figure 2(a1), (b1) et (c1) montre la DO et la concentration en masse des PNB produits dans le mélange eau-éthanol avec une tension superficielle de 30 mJ/m ² en fonction de la puissance et du temps de sonication. Les résultats ont indiqué que la concentration des dispersions de PNB augmentait à la fois avec la puissance et le temps de sonication. Notez que le G100 n'a pas été exfolié dans le mélange éthanol-eau avec une tension superficielle de 30 mJ/m ² à des puissances de sonication de 60 et 100 W. Plus précisément, pour le même temps de sonication, la concentration des dispersions de PNB a augmenté avec la puissance de sonication. De plus, à puissance de sonication identique, la concentration des dispersions de PNB a augmenté rapidement dans un premier temps puis plus lentement à mesure que le temps de sonication s'allongeait. Une fois que le temps de sonication a atteint 120 min, la concentration des dispersions de GNP est restée presque inchangée. Ces résultats ont indiqué que la concentration maximale de dispersions de GNP a été obtenue après un certain temps de sonication, après quoi une sonication supplémentaire n'était pas efficace. De plus, les résultats ont démontré que les concentrations des dispersions de PNB produites à une puissance de sonication de 300 W étaient beaucoup plus élevées que celles des dispersions produites à des puissances de sonication de 60, 100 et 200 W.

Concentrations de dispersions de PNB produites en exfoliant (a1) G10, (b1) G30 et (c1) G100 en utilisant différentes puissances et durées de sonication. La concentration des dispersions de PNB produites en exfoliant (a2) G10, (b2) G30 et (c2) G100 en fonction de l'apport d'énergie de sonication

Pour évaluer l'influence de la puissance et du temps de sonication de pointe sur la concentration des dispersions de PNB, la relation entre l'apport d'énergie, c'est-à-dire E , (temps de sonication multiplié par la puissance de sonication) et la concentration des dispersions de PNB a été déterminée. La figure 2(a2), (b2) et (c2) révèle que la relation entre la concentration des dispersions du PNB et l'apport d'énergie peut être décrite par \( {C}_g={aE}^{\raisebox{1ex}{ $1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.} \), où C _g est la concentration de la dispersion du PNB, et a est un paramètre déterminé en ajustant les données expérimentales. Le a les valeurs des dispersions de PNB obtenues en exfoliant G10, G30 et G100 sont de 1,612 × 10 ^− 4 , 4.175 × 10 ^− 4 , et 1,061 × 10 ^− 4 mg/(mL · kJ ^½ ), respectivement. Ces résultats ont démontré qu'avec l'augmentation de l'apport d'énergie, la concentration de la dispersion de GNP augmentait d'abord rapidement, puis lentement, ce qui était en bon accord avec les conclusions précédentes de Coleman [23] et Bracamonte [37] sur l'exfoliation du graphite en GNP via la sonication en bain. .

Taille des PNB produits à l'aide de divers pouvoirs et temps de sonication

La figure 3 montre la taille des PNB produits en exfoliant des échantillons de graphite en flocons G10, G30 et G100 en utilisant différentes puissances et durées de sonication de pointe. La figure 3 (a1), (b1) et (c1) affiche la taille moyenne des PNB produits en exfoliant G10, G30 et G100 en utilisant différentes puissances et durées de sonication de pointe. La taille moyenne des PNB a été déterminée en analysant environ 100 PNB pour chaque échantillon. Les résultats ont indiqué qu'avec l'augmentation de la puissance et du temps de sonication, la taille des PNB produits diminuait légèrement. Quelle que soit la taille initiale du graphite en flocons, la taille des PNB produits à l'aide de divers temps et puissances de sonication de pointe variait de ~ 1 à ~ 3 μm. Étant donné que le G100 n'a pas été exfolié à des puissances de sonication de 60 et 100 W, la figure 3(c1) ne montre que la taille des PNB exfoliés à des puissances de sonication de 200 et 300 W.

Taille moyenne des PNB produits en utilisant différentes puissances et durées de sonication pour exfolier (a1) G10, (b1) G30 et (c1) G100 échantillons de graphite en flocons. Images SEM des échantillons de graphite en flocons (a2) G10, (b2) G30 et (c2) G100. Images SEM des PNB produites en exfoliant G10 à une puissance de sonication de 300 W pendant (a3) ​​60 min, (a4) 120 min et (a5) 180 min. Images SEM des PNB produites en exfoliant G30 à une puissance de sonication de 300 W pendant (b3) 60 min, (b4) 120 min et (b5) 180 min. Images SEM des PNB produites par exfoliation du G100 à une puissance de sonication de 300 W pendant (c3) 60 min, (c4) 120 min et (c5) 180 min

Pour illustrer l'influence de la sonication sur la taille des PNB produits, des images SEM de ces trois échantillons de graphite et des PNB obtenus par exfoliation à une puissance de sonication de 300 W pour différentes périodes sont fournies à la Fig. 3. Les images SEM des PNB exfoliés à une la puissance de sonication de la pointe de 60, 100 et 200 W pendant 60, 120 et 180 min est indiquée dans le fichier supplémentaire 1. Plus précisément, la figure 3(a2), (b2) et (c2) montre les tailles initiales de la paillettes de graphite, c'est-à-dire G10, G30 et G100, respectivement. Les images indiquent que G10, G30 et G100 avaient toutes de nombreuses couches d'épaisseur et ont des tailles d'environ 10, 30 et 100 μm, respectivement. Les figures 3 (a3), (a4) et (a5) représentent des images SEM de PNB produits en exfoliant G10 dans des mélanges éthanol-eau à une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 minutes, respectivement. On peut constater que lorsque le temps de sonication était de 60 min, les PNB produits étaient un peu plus épais que ceux obtenus par sonication pendant 120 ou 180 min ; les deux derniers temps de sonication ont donné des PNB presque de la même épaisseur. Les figures 3(b3), (b4) et (b5) affichent des images SEM de PNB produites en exfoliant G30 à une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 min, respectivement. Pendant ce temps, les figures 3(c3), (c4) et (c5) montrent des images SEM de PNB produites en exfoliant G100 à une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 min, respectivement. Ces résultats ont tous indiqué qu'avec l'augmentation de la puissance et du temps de sonication, l'épaisseur des PNB produits diminuait.

Dans l'ensemble, les résultats ont démontré qu'avec l'augmentation de la puissance et du temps de sonication, la taille des PNB produits diminuait légèrement. Cependant, quelle que soit la taille initiale du graphite en flocons, les PNB produits à l'aide de divers temps et puissances de sonication de pointe allaient de ~ 1 à ~ 3 μm.

Densité de défaut des PNB produits à l'aide de diverses puissances et durées de sonication

La densité de défauts des PNB produits à l'aide de diverses puissances et durées de sonication a été déterminée par spectroscopie Raman. Généralement, le rapport d'intensité du D bande à 1350 cm ^− 1 à celui du G bande à 1580 cm ^− 1 (Je _D /Je _G ) est utilisé pour caractériser la densité de défauts des PNB [33]. Un I plus petit _D /Je _G La valeur indique une densité de défauts plus faible des PNB. Le Je _D /Je _G les valeurs des PNB exfoliées à l'aide de différentes puissances et durées de sonication sont présentées sous forme d'histogrammes sur les figures 4(a1), (b1) et (c1). De plus, les spectres Raman typiques des flocons de graphite initiaux et des PNB exfoliés à des puissances de 60, 100, 200 ou 300 W pendant 60, 120 ou 180 min sont présentés dans le fichier supplémentaire 1. Le I _D /Je _G les valeurs des PNB ont légèrement augmenté avec l'augmentation du temps et de la puissance de sonication de la pointe. Néanmoins, le I _D /Je _G les valeurs des PNB produits à l'aide des différentes puissances et durées de sonication de la pointe allaient de ~ 0,1 à ~ 0,3, ce qui indiquait que tous les PNB produits avaient une faible densité de défauts, c'est-à-dire qu'ils étaient de haute qualité. De plus, le fichier supplémentaire 1 :les figures S5, S6 et S7 illustrent qu'avec l'augmentation de la puissance et du temps de sonication, le G les bandes des PNB sont devenues plus larges, ce qui signifie que la plupart des défauts des PNB étaient des défauts de bord plutôt que des défauts du plan basal.

Je _D /Je _G valeurs des PNB produits à l'aide de diverses puissances et durées de sonication à partir de (a1) G10, (b1) G30 et (c1) G100. Je _D /Je _G valeurs des PNB produits en exfoliant (a2) G10, (b2) G30 et (c2) G100 en fonction de l'apport d'énergie de sonication

Pour bien comprendre l'influence de la puissance et du temps de sonication de la pointe sur la densité de défauts des PNB produits, l'apport d'énergie pendant l'exfoliation a été pris en compte. La figure 4(a2), (b2) et (c2) montre les relations entre le I _D /Je _G valeur et l'apport d'énergie pendant la sonication de la pointe. De toute évidence, quelle que soit la taille initiale de l'échantillon de graphite en flocons, I _D /Je _G de tous les PNB produits augmentaient linéairement avec l'apport d'énergie. Il a indiqué que pour produire des PNB de haute qualité, la puissance et le temps de sonication devraient être diminués. De plus, les résultats ont montré que le I _D /Je _G les valeurs des PNB produits par l'exfoliation du G30 étaient bien inférieures à celles des PNB produits par l'exfoliation du G10 et du G100. Cela peut être dû à des différences dans la qualité des échantillons de graphite vierge.

Comportement de sédimentation des PNB en milieu liquide

Le comportement de sédimentation des PNB en milieu liquide représente la stabilité de la dispersion du graphène. La figure 5 illustre le comportement de sédimentation des PNB dans les milieux liquides produits à une puissance de sonication de 300 W pendant 30, 60, 120 et 180 min estimé en déterminant la DO des dispersions de PNB en fonction du temps de sédimentation. Les courbes de sédimentation pour les dispersions de PNB produites à des puissances de sonication de 60, 100 et 200 W pendant 30, 60, 120 et 180 min peuvent être trouvées dans le fichier supplémentaire 1. Les résultats ont indiqué que les concentrations des dispersions de PNB produites en utilisant différentes sonications les puissances et les temps ont tous diminué rapidement au cours des 12 premières heures, puis se sont stabilisés. Après sédimentation pendant 96 h, les concentrations des dispersions de PNB produites en exfoliant G10 à une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 min étaient respectivement de 61,8 %, 70,1 % et 70,5 % de leurs concentrations initiales. Pour G30, après sédimentation pendant 96 h, les concentrations des dispersions de PNB produites en utilisant une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 min étaient de 62,5 %, 71,2 % et 71,2 % de la concentration initiale des dispersions de PNB correspondantes. , respectivement. Pendant ce temps, après sédimentation pendant 96 h des dispersions de PNB produites à partir de G100 en utilisant une puissance de sonication de 300 W pendant 60, 120 et 180 min, les concentrations des dispersions étaient de 65,9 %, 71,6 % et 72,3 % de leurs valeurs initiales, respectivement.

Courbes de sédimentation des dispersions de PNB produites par exfoliation a G10, b G30, et c G100 à une puissance de sonication de 300 W

Ces résultats ont indiqué que les concentrations des dispersions de PNB produites à l'aide de différentes puissances et durées de sonication ont toutes diminué rapidement au cours des 12 premières heures, puis se sont stabilisées. Après une sédimentation de 96 h, les concentrations des dispersions de PNB étaient d'environ 70 % de leurs valeurs initiales. De plus, les stabilités des dispersions de PNB dans les milieux liquides produites à différentes puissances de sonication pendant 120 min étaient presque les mêmes que celles produites à diverses puissances de sonication pendant 180 min.

Implications pour la sélection des paramètres de sonication de pointe appropriés

Sur la base de la qualité des PNB exfoliés à l'aide de différentes puissances et durées de sonication de pointe, on peut constater que la taille des PNB variait de ~ 1 à ~ 3 μm quelle que soit la taille initiale du graphite en flocons. Pendant ce temps, le Je _D /Je _G les valeurs des PNB produits en utilisant diverses puissances et durées de sonication de pointe ont montré que tous les PNB étaient de haute qualité. De plus, les concentrations de dispersions de PNB produites à une puissance de sonication de 300 W étaient beaucoup plus élevées que celles des dispersions produites à des puissances de sonication de 60, 100 et 200 W. De plus, les courbes de sédimentation des dispersions de PNB ont indiqué que les stabilités des dispersions de PNB produites à diverses puissances de sonication pendant 120 min étaient presque les mêmes que celles de la dispersion produite à diverses puissances de sonication pendant 180 min. Compte tenu de tous les facteurs mentionnés ci-dessus, nous pensons que les paramètres de sonication de pointe appropriés pour exfolier le graphite pour former des GNP pourraient être la puissance de sonication de 300 W pendant 120 min.

De plus, l'épaisseur des PNB est généralement un indicateur important de leur qualité. Par conséquent, l'épaisseur des PNB produits par sonication à 300 W pendant 120 min a été en outre déterminée par MET. La figure 6a–c montre les images MET à fond clair des PNB produites en exfoliant G10, G30 et G100 à une puissance de sonication de 300 W pendant 120 min, respectivement. Pour identifier la présence de PNB monocouches ou à quelques couches produites à une puissance de sonication de 300 W pendant 120 min, un diagramme de diffraction électronique des PNB a été mesuré à un angle d'incidence de 0°. Plus précisément, la figure 6d montre un diagramme de diffraction électronique du PNB de la figure 6b, qui contient un motif de symétrie sextuple compatible avec la structure cristalline typique d'un PNB. De plus, dans ce motif hexagonal, l'intensité des points {1100} est plus forte que celle des points {2110}. Pour inspecter le rapport de l'intensité {1100} à celle de {2110} (I _{1100} /Je _{2110} ), certains des points ont été ajustés par une ligne, comme le montre la Fig. 6d. La figure 6e révèle que les pics internes sont plus intenses que les pics externes et I _{1100} /Je _{2110} est d'environ 1,30. Des travaux antérieurs ont montré que lorsque I _{1100} /Je _{2110} < 1, le PNB doit être multicouche avec empilement AB, alors que lorsque I _{1100} /Je _{2110}> 1, le PNB doit être monocouche [38]. Par conséquent, les résultats ont indiqué que des PNB monocouches ou à quelques couches étaient produits en utilisant une puissance de sonication de 300 W pendant 120 min.

Images MET de PNB produites en exfoliant a G10, b G30, et c Échantillons de graphite en flocons G100 à une puissance de sonication de 300 W pendant 120 min. d Diagramme de diffraction des électrons pris à partir de la position du cercle blanc dans b . e Intensité de diffraction prise le long de la ligne en d

Conclusions

L'influence de la puissance et du temps de sonication de la pointe sur l'exfoliation du graphite en PNB a été déterminée en analysant la concentration des dispersions de PNB, la taille et la densité de défauts des PNB produits et le comportement de sédimentation des dispersions de PNB. Les résultats ont indiqué que la concentration des dispersions de PNB était liée au produit de la puissance de sonication et du temps, c'est-à-dire l'apport d'énergie de sonication. La relation entre la concentration d'une dispersion de PNB et l'apport d'énergie de sonication peut être décrite par \( {C}_g={aE}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex }{$2$}\droit.} \). Avec l'augmentation de la puissance et du temps de sonication, la taille des PNB produits a diminué, tandis que la densité de défauts des PNB a légèrement augmenté. Les courbes de sédimentation des dispersions de PNB ont indiqué que les concentrations de toutes les dispersions de PNB étaient d'environ 70 % de leurs valeurs initiales, après une sédimentation de 96 h. Les images MET ont indiqué que les PNB exfoliés sous une puissance de sonication de 300 W pendant 120 min étaient constitués de quelques couches. L'étude a des implications importantes pour la sélection des paramètres de sonication de pointe appropriés dans l'exfoliation du graphite en PNB.

Abréviations

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

GNPS :

Nanoplaquettes de graphène

LPE :

Gommage en phase liquide

OD :

Densité optique

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission