Préparation du graphène hydrophile par broyage à billes

Dans cette étude, on a proposé une méthode d’exfoliation du graphène par broyage à billes vertes. Un dérivé de graphène A été ajouté pour faciliter l’exfoliation du graphite par broyage à billes. Cet additif peut effectivement s’intercaler avec des couches de graphène et maintenir une dispersion stable dans l’eau. Un broyeur planétaire à billes A été utilisé pour explorer les conditions optimales du procédé de fraisage des couches de graphène. Dans les meilleures conditions, la taille des feuilles de graphène était d’environ 1 nm, plus de 60% des feuilles de graphène ayant moins de 5 couches.

expérimental

1.1 matériel et équipement

Matériaux principaux: graphite extensible avec une taille de particules de 180 µm (acheté de Qingdao graphite Co., Ltd.), dérivé de graphène (auto-fabriqué), eau désionisée (auto-fabriqué).

Équipement principal: Balance analytique électronique (FA1004, Changsha Xiangping Technology Co., Ltd.), centrifugeuse (TG16-11, Changsha Pingfan Instruments Co., Ltd.), lyophonique (FD-1A-50, Beijing Boyikang Experimental Instrument Co., Ltd.), spectrophotomètre UV-visible (UV-5200PC, Shanghai Yuanxi Instruments Co., Ltd.), microscope électronique à balayage (JSM/701F, JEOL Ltd.), microscope électronique à transmission (JEM-2100, JEOL Ltd.), microscope à force atomique (DM FASTSCAN-i-SYS, Bruker), Testeur de résistance numérique à quatre sondes (ST2722-SZ, Suzhou Jingge Electronics Co., Ltd.), broyeur à billes planétaire (YXQM-4L, Changsha MIQI Instrument Equipment Co., Ltd.), four à résistance à tube à atmosphère sous vide (série STG, Henan Santong furnace Technology Co., Ltd.).

1.2 préparation du graphène

Le procédé de préparation du graphène est illustré à la Figure 1. Plus précisément, un broyeur à billes planétaires a été utilisé comme équipement d’exfoliation, avec un pot de nylon et des billes de zircone utilisées pour le fraisage. Différentes concentrations du dérivé de graphène ont été mélangées à une suspension de graphite (150 mL) et agitées pendant 15 minutes pour assurer la dissolution complète du dérivé de graphène et un mélange uniforme avec la poudre de graphite. Le mélange obtenu a été transféré dans le pot en nylon du broyeur à billes planétaires, et des billes de broyage en zircone de différents diamètres (10, 8, 5 mm) ont été ajoutés dans un rapport massique de 1:2:3. L’échantillon a ensuite été scellé et fraisé pendant 4 à 24 heures à une vitesse de rotation de 320 tr/min. Après broyage, l’échantillon a été centrifugé à 4 000 tr/min pour obtenir un liquide clair contenant un mélange de graphène et de dérivé de graphène.

1.3 analyse et essais

Les mesures de Concentration ont été effectuées à l’aide d’un spectrophotomètre UV-visible. Le degré de défaut et le nombre de couches dans le graphène ont été caractérisés par spectroscopie Raman, et le rapport du pic D au pic G a été utilisé comme indicateur de la défectuosités du graphène. L’épaisseur et la taille des feuilles de graphène ont été observées à l’aide de la microscopie électronique à transmission (TEM) et de la microscopie par force atomique (AFM). La conductivité électrique de la poudre de graphène a été déterminée à l’aide d’un testeur de conductivité à quatre sondes sous une pression de 22 MPa.

Résultats et Discussion

Pendant le processus de fraisage à billes, la rotation à grande vitesse du bocal de broyeur à billes planétaire, à la fois la rotation et la révolution, génère des forces de cisaillement et de collision dans le bocal. La force de cisaillement agit sur la surface de la poudre de graphite et de graphène, surpassant les faibles forces de van der Waals entre les couches de graphite et conduisant à leur séparation en feuilles individuelles. La force de collision entraîne la rupture et l’exfoliation des couches de graphite et de graphène.

Le graphène est hydrophobe et ne se disperse pas bien dans l’eau. Toutefois, dans le procédé d’exfoliation décrit dans cette étude, l’addition d’un dérivé hydrophile du graphène a permis aux feuilles de graphène exfoliées de se lier efficacement au dérivé du graphène, rendant le graphène hydrophile et dispersible dans des solutions aqueuses.

2.1 paramètres de processus

Pour maximiser la concentration de graphène exfolié et son rendement, cinq paramètres clés du procédé ont été étudiés. Ces paramètres comprennent le temps de broyage des billes, le rapport entre le graphite extensible et le dérivé du graphène, la concentration initiale de graphite extensible et le rapport massique des billes de broyage au zircon. Toutes les expériences ont été effectuées à une vitesse de rotation planétaire de 320 tours/minute.

2.1.1 temps de fraisage des billes

Le temps de fraisage des billes est un facteur crucial qui influence l’efficacité de l’exfoliation au graphène. Des temps de fraisage plus longs entraînent une augmentation des frottements et des collisions entre les billes et le graphite, ce qui entraîne une meilleure exfoliation. Cependant, des temps de broyage trop longs peuvent augmenter l’agrégation du graphène. Après avoir étudié divers temps de fraisage des billes dans des conditions constantes, il a été déterminé que le temps d’exfoliation optimal était de 16 heures.

2.1.2 Concentration initiale de Graphite extensible

La concentration initiale de graphite extensible est un autre paramètre critique influençant la concentration et le rendement de graphène exfolié. Des concentrations initiales très élevées de graphite peuvent entraîner une diminution de la qualité de l’exfoliation et une augmentation de l’agrégation. Une plage de concentration initiale optimale est donc cruciale pour une exfoliation efficace. On a constaté qu’une concentration initiale de 50 g/L donnait les meilleurs résultats d’exfoliation.

2.1.3 rapport des billes de meulage au zircone

Le nombre et la taille des billes de broyage utilisées sont essentiels pour contrôler la concentration de l’exfoliation au graphène et l’étendue de l’exfoliation. Dans l’étude, on a utilisé des billes de zircone de trois diamètres différents (10, 8, 5 mm). Des expériences ont montré que des billes de plus grands diamètres aboutissent à une exfoliation moins efficace en raison de la surface réduite et, par conséquent, moins de collisions. Cependant, lorsque les trois tailles de billes ont été mélangées dans un rapport de 1:2:3 (10 mm:8 mm:5 mm), une augmentation significative de la concentration a été observée, rendant la combinaison de billes de différentes tailles plus efficace. En outre, ona déterminé qu’un rapport de 1:60 de la masse de billes à la masse de graphite donnait les meilleurs résultats d’exfoliation.

2.1.4 rapport du dérivé du graphène au Graphite

Le rapport entre le dérivé du graphène et le graphite joue également un rôle crucial dans le processus d’exfoliation. Pour déterminer les conditions optimales, on a choisi un rapport 20:1. À ce rapport, la concentration de graphène exfolié a atteint son sommet, et le dérivé additionnel de graphène n’a pas eu d’effet significatif sur la concentration.

En explorant systématiquement les conditions expérimentales, on a identifié les paramètres optimaux suivants pour exfolier le graphène dans un broyeur à billes planétaire: un temps de fraisage des billes de 16 heures, une concentration initiale de graphite extensible de 50 g/L, un rapport massique 1:20 du dérivé du graphène au graphite, une combinaison de billes de broyage au zircon de trois diamètres différents (10 mm, 8 mm et 5 mm) dans un rapport 1:2:3, et un rapport massique de 60:1 pour les billes et le graphite. Dans ces conditions, on a préparé avec succès du graphène avec une concentration de 3,29 g/L et un rendement de 4,35 %.

2.2 caractérisation

Le graphène préparé a été caractérisé au moyen de la spectroscopie UV-visible, de la spectroscopie Raman, de la microscopie électronique à transmission (TEM), de la microscopie par force atomique (AFM) et d’essais de conductivité électrique.

2.2.1 spectroscopie UV-Visible et spectroscopie Raman

La photo de la dispersion stable du graphène dans l’eau a été obtenue, et la spectroscopie Raman a été utilisée pour évaluer le graphène.#39; S et nombre de couches. Le rapport d’intensité entre le pic D et le pic G suggérait que le graphène présentait quelques défauts.

2.2.2 microscopie électronique à Transmission (TEM)

L’analyse TEM du graphène préparé a mis en évidence des feuilles minces de graphène de forme irrégulière avec une distribution granulométrique latérale d’environ 0,2 µm. La plupart des feuilles de graphène avaient des dimensions latérales d’environ 1 µm.

2.2.3 microscopie à Force atomique (AFM)

Les observations de l’afm ont permis de comprendre l’épaisseur et le nombre de couches des feuilles de graphène. L’épaisseur des feuilles de graphène a été mesurée à 2,2 nm, avec une moyenne de 6 couches.

2.2.4 conductivité électrique

La conductivité électrique du graphène préparé a été testée, montrant une conductivité de 3.600 S/m sous une pression de 22 MPa. Cette conductivité est nettement plus élevée que celle du graphène produit par réduction directe de l’oxyde de graphène (232 S/m).

Conclusion Conclusion

En résumé, cette étude a utilisé avec succès une méthode de broyage à billes à base d’eau pour préparer des nanomatériaux au graphène hydrophile qui pourraient se disperser de façon stable dans l’eau. Les conditions optimales de traitement de l’exfoliation au graphène ont été identifiées, ce qui a donné un graphène de moins de 5 couches, une distribution granulométrique latérale d’environ 1 µm et une conductivité électrique de 3.600 S/m. Cette méthode respectueuse de l’environnement, qui utilise l’eau comme solvant, est prometteuse pour des applications industrielles.