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Nature:利用非分散策略在水相中规模化制备高浓度石墨烯浆料


来源:中国粉体网   默然

[导读]  研究团队展示了一种工业上可行的用于制备高质量石墨烯和复合材料的水相剥离策略。这种方法绕过了破坏性的化学氧化过程,避免了大量溶剂的使用,解决了与石墨烯储存和运输有关的关键问题

中国粉体网讯  由于石墨烯分散性差以及片材有π-π堆积的趋势,因此难以通过液相剥离实现疏水性石墨烯的高效生产,另外,石墨烯强烈的聚集倾向也使其难以存储、运输,为后续应用提出了挑战。


有鉴于此,LeiDong等人报告了一个水相非分散剥离方法,以生产高度结晶的石墨烯薄片,可以存储在浓浆(50mg/ml)或滤饼数月,没有重叠的风险。剥离的石墨烯浆料可以直接用于3D打印以及制造导电石墨烯气凝胶和石墨烯-聚合物复合材料,从而避免使用大量的有机溶剂来降低制造成本。这种不分散的战略为石墨烯基材料的成本效益和环保生产铺平了道路。


一、石墨烯生产的非分散策略


与使用大量溶剂的传统液相法相比,为了减少溶剂的使用,应用非分散策略来批量生产石墨烯并直接使用絮凝浆料来制造功能材料。



传统液相剥离方法(a)和非分散策略(b)制备石墨烯的流程示意图;不同方法在制备浓度、产率和产量方面的比较(c)


研究团队采用在水中生产石墨烯的非分散策略,经过预处理后的石墨经高速剪切剥离,随后在碱性水中絮凝,以此大规模生产石墨烯浆(100g),通过离心或过滤可将浆液进一步浓缩至固体含量的23%。


这种浆料可以作为石墨烯的储备溶液,即使在静置一周以上后,也可以在NMP或碱性水(pH=12)中重新分散。


二、石墨烯薄片的表征


为了探测单个薄片的质量,在测试之前将制备好的石墨烯浆料洗涤并重新分散。但由于我们不得不在硅晶片上旋涂NMP分散液,所以在溶剂蒸发过程中很难避免石墨烯纳米片的重新堆叠。


剥离的石墨烯薄片的质量


图2a中的原子分辨率STEM图像揭示了具有长程周期性特征的蜂窝晶格,证实了石墨烯的晶体结构在部分氧化和剪切脱落之后保持良好。


拉曼光谱在1325cm-1(D带)和1580cm-1(G带)处显示两个特征带,对应于来自缺陷和sp2的sp3型碳的贡献在图2b中杂化的芳族碳。


SEM和高分辨率透射电子显微镜图像显示微米大小,其中超过100片的统计分析显示>90%的薄片是单层(<1nm厚),具有横向尺寸范围从0.5到5微米(图2e,f)。结果,通过真空过滤获得的石墨烯膜呈现高度疏水表面,具有89.6°的水接触角,这与原始石墨烯相当。


三、不分散剥落和水分散的机理


获得稳定的石墨烯水溶液而不添加表面活性剂是具有挑战性的。研究团队的石墨烯水分散体的稳定性是pH依赖性的,在pH=12时最大分散浓度(图3a)。除了pH=12之外,由于离子诱导的絮凝,石墨烯分散体变得不稳定。


Zeta电位(ζ)是纳米材料稳定性的常用指标。如图3b所示,石墨烯分散体在pH=12时具有-42.4mV的最大ζ值,表明石墨烯薄片之间具有强烈的静电排斥相互作用。这个观察可以用C1来解释XPS谱,其中羟基(-OH)是我们石墨烯上的主要含氧基团。


由于酚性羟基的解离常数是10.0〜36,离子化增加在更高的pH值(图3C)。在pH值高于12时,石墨烯上的羟基将被完全电离。然而,5.9%的含氧基团的存在是否足以产生对π-π再堆积的静电排斥力仍然是一个悬而未决的问题。


石墨烯水溶液的PH值稳定性


石墨烯分散体的pH依赖稳定性可以解释非分散剥落的机理。事实上,当预处理的石墨在pH=12下剥离时,即使在该pH值下分散体稳定性最高,石墨烯的收率也非常低(<1.2wt%)。这归因于石墨烯固有的低分散性,其限制了高浓度剥离的产率。


相反,当在pH=13或14下剥离时,由于压缩的EDL,石墨烯片迅速絮凝,这降低了体系的粘度并促进了剥离。絮凝后的石墨烯薄片由于存在吸收的离子和松散堆积而不能形成π-π堆积,因此它们可以再分散在NMP或碱性溶液中。


四、石墨烯浆料的储存和分散


石墨烯浆料的微观结构大大影响其溶液处理能力和应用。事实上,我们发现石墨烯浆体的形态和溶液行为也是pH依赖性的。


如图4a所示,所获得的石墨烯浆料(pH=14)表现得如同弹性凝胶,其稳定粘度比在pH=7的洗涤过的石墨烯浆料高两个数量级。后者显示类似流体的行为石墨悬浮液,其粘度仅受水分子和石墨板之间弱相互作用的控制。为了观察其显微结构,通过液氮淬火和冷冻干燥制备两个样品以避免可能的结构变化。


石墨烯浆料的结构和分散性


如图4b所示,作为获得的石墨烯浆料具有松散堆叠结构,类似于絮凝无机粘土。相比之下,pH=7的浆料由于没有带电官能团的静电排斥而呈现面对面的聚集。另外,从pH=14到pH=7,我们观察到比表面积(SSA)减少了约3倍的体积收缩和一个数量级的降低,这也反映了石墨烯浆液中pH依赖性的结构变化。



为了进一步量化两种石墨烯浆体的稳定性,我们分别在pH=14和7时计算石墨烯浆体的层间相互作用能。如图4c所示,在pH=14时,在h=1.8nm处出现波谷(次最小值),因为与EvdW42相比,静电能E随着距离的增加而下降更快。


五、浓缩石墨烯浆料的3D打印


高浓度石墨烯浆料对于许多功能材料的制造是非常理想的,例如,印刷或旋涂通常需要高固含量的工作窗口(图5a)。依赖于溶胶-凝胶化学在高浓度浆料的弹性凝胶区域处制造了各种石墨烯气凝胶结构(图5d),印刷的气凝胶是大孔(图5e,f),具有良好的机械强度。



此外,该方法制备的石墨烯水相浆料表现出了良好的流变特性,可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶,从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。


综述:


综合来讲,研究团队展示了一种工业上可行的用于制备高质量石墨烯和复合材料的水相剥离策略。这种方法绕过了破坏性的化学氧化过程,避免了大量溶剂的使用,解决了与石墨烯储存和运输有关的关键问题。使用这种策略,石墨烯薄片可以以高浓度浆液重量的5%的形式剥离,具有高生产效率(82〜170g/h)。


由于在弱氧化表面上存在吸附的离子,剥落的薄片形成松散堆积的絮凝聚集体。这种石墨烯浆料具有三维松散堆积微结构,其流变性质与紧密堆积的石墨烯薄片明显不同;例如,可以直接3D打印制作导电石墨烯气凝胶,并用于制造高石墨烯含量的复合材料。与传统的氧化还原方法不同,这种非分散剥离策略允许在含水介质中进行成本有效的大规模生产,储存和运输石墨烯。


注:本文相关成果以《利用非分散策略在水相中规模化制备高浓度石墨烯浆料》(ANon-DispersionStrategyforLarge-ScaleProductionofUltra-HighConcentrationGrapheneSlurriesinWater)为题于1月8日在线发表于《自然•通讯》(NatureCommunications)。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02580-3

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