机械法制备石墨烯球磨过程的能量层分析.docxVIP

机械法制备石墨烯球磨过程的能量层分 赵明 魏镜強 付亚伟 蔡晓明 昆明理工大学机电工程学院 摘要： 本文主要针对机械球磨法制备石墨烯过程屮，磨球剪切剥离高定向裂解石墨时， 石墨片层之间发生的能量交互，以及剥离石墨后的能量变化。从能量层而上解析 机械球磨制备石墨烯的过程。 关键词： 石墨烯;石墨;剥离;团聚;剪切; 作者简介：赵明（1990-），男，河南濮阳人，硕士研究生，研究方向为机械工 程。 Energy Analysis of Preparing Graphene in the Process of Mechanical Milling ZHAO Ming WEI Jing-tao FU Ya—wei CAI Xiao-ming Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology; Abstract： In this paper, in view of the process of preparing graphene on the mechanical ball milling, we mainly study the energy interaction between graphite layers when grinding ball shear HOPG, and energy changes after stripping of graphite. The process of preparing graphene with mechanical bal1 is analyzed from the energy level. Keyword： graphene; graphite; delomination; aggregation; shear; 1简介 a 2004年，Noveselov等人采用胶带法剥离得到单层的石墨片层以来，打破 T由Peiers⑵和Landau [3] ^01的由于热力学不稳定性导致二维晶体不可能存 在在有限温度下这一传统理论。该石墨片层被称作石墨烯。石墨烯是碳原子以 sp轨道杂化形成的共价键连接形成的单原子层晶体，这种二维原子晶体层表面 形成有特殊的褶皴，这种褶皴使得石墨烯在力学、热力学和电学等方而表现优异 的性能。近儿年，制备石墨烯的研究很多，主要分为物理法、化学法和物理化学 法。其中物理化学法主要是在物理法制备石墨烯的过程中，借助一些分散剂与石 墨晶体表层作用力实现非共价键合，从而减少剥离片层所需的能量需求，提高 制备效率跟晶体晶格质量。 物理法制备石墨烯，是在保存石墨片层晶体晶格的完整性前提下，破坏石墨片 层之间JT-JT键的作用乜1，得到石墨烯。主要的物理法是机械剥离法，而机械 剥离法制备石墨烯主要是球磨法。 2球磨法研磨石墨过程中的能量表现 2.1石墨片层间的范德华结合力 图1石墨烯的结构示意图 下载原图 单层石墨片层的理论厚度为0. 34nm,而石墨片层之间的层间距在0. 335nm, 兀-兀键的键能为16. 7k J/mol,目前的研究将石墨片层间的作用视为范德华力 臣1。根据Rafael Tadmor提出不同微观结构间范徳华力的计算公式血，我们将 石墨烯视为平板结构间的微观结构，其计算公式为： _ A (1 1 1 EV =_ 询(茁 + (d+h[+h2)2 _ (d+hj 式屮A为石墨的Ilamakcr常数(2. 38X10J) ; h】和花分别是剥离的两块多层石墨 片层的厚度;d是两石墨片层之间的层间距(0?335nni)。 在微观上讲，根据石墨的晶体结构，可以分析得出两种石墨烯的剥离机制:石墨 晶体表面单层石墨片层，受到磨球的作用，从石墨片的表面一层一层的剥离;石 墨片受磨球的作用，从多层结构的中间断裂形成两个多层的石墨片，随着剥离 过程的进行，层数逐渐减少到寡层石墨片层。根据范德华力的计算公式，当剥离 出来的多层石墨片厚度hl越大，其破坏石墨片层间范德华力的作用所需要的能 量Ea越大，剥离出单层石墨片层需要最少能量，因此剥离石墨烯的过程更倾向 于剥离出层数较少的石墨片层。 2.2胶体颗粒间的团聚势能 在分散剂中，随着石墨颗粒尺寸的减小，不可避免地发生胶体粒子间的团聚现 象。我们将处于分散剂环境屮的石墨视为带点胶体颗粒，这种团聚行为可以用 DLVO理论很好地解释。 作为胶体颗粒的石墨的团聚表现分为横向和纵向，横向的团聚发生在多层石墨 片层块的侧面结构间的团聚;纵向的团聚发牛为多层石墨片层块的层表面间的团 聚。根据DLVO理论，对纵向团聚势能的计算公式为： El El = 4A￡rE0K^2e_KD Airp2C 2D4 对