利用微流控技术制备的纳米石墨剥离无机基复合材料

《ACS Omega》：Exfoliated Nanographite Inorganic-Based Composite Using Microfluidization

纳米石墨片制备与无机复合薄膜应用

　　本研究致力于解决一个长期存在的科学难题，即如何在保持微米级横向尺寸的前提下，制备具有纳米厚度的石墨薄片。传统的方法，如化学剥离和机械剥离，虽然在一定程度上能够实现石墨的剥离，但往往伴随着高成本、高毒性以及难以大规模生产的缺点，同时可能引入结构缺陷和碎片。为克服这些限制，我们提出了一种基于微流化技术的新型剥离方法，实现了高质量纳米石墨的可扩展制备，并且在过程中减少了材料损伤。

微流化技术作为一种液相剥离（LPE）方法，近年来在剥离石墨领域展现出良好的前景。它通过将石墨悬浮液在高压下加速通过微通道内的相互作用室，产生强烈的剪切力和碰撞，从而有效剥离石墨层。相比传统的超声剥离，微流化技术不仅能够避免过度的局部空化效应，还能在剥离过程中减少石墨碎片的产生。此外，该方法具备良好的可扩展性、较低的成本以及较少的材料缺陷，为工业应用提供了更具吸引力的解决方案。

在实验过程中，我们采用了一种结合超声处理和微流化技术的策略。首先，将石墨粉末与去离子水和表面活性剂（Triton X-100）混合，制备成悬浮液。随后，通过超声处理对悬浮液进行预处理，以部分剥离石墨层并保持其横向尺寸。我们发现，超声处理时间对石墨薄片的尺寸有显著影响。例如，在5分钟的超声处理后，石墨薄片的平均横向尺寸为2.39微米，而30分钟的超声处理则导致尺寸进一步减小至1.73微米。因此，为了在剥离过程中避免通道堵塞并维持较大的横向尺寸，我们选择5分钟的超声处理时间作为最佳条件。

在微流化过程中，悬浮液被压入到一个设计精巧的Y型通道内，通过高压（5000 psi）和高剪切力的作用，实现石墨薄片的进一步剥离。为了防止处理过程中因热量积累导致的石墨结构破坏，我们引入了一个蛇形冷却系统，确保整个过程在常温下进行。通过多次微流化循环，我们能够逐步减小石墨薄片的厚度，同时尽量减少对横向尺寸的影响。最终，经过10次循环处理后，石墨薄片的平均厚度达到7纳米，而横向尺寸则保持在约1微米左右。这种高纵横比的纳米石墨具有优异的物理性能，为后续应用提供了坚实的基础。

在剥离完成后，我们进一步将纳米石墨与水玻璃（Na?SiO?）结合，形成一种无机基复合材料。水玻璃作为一种透明、可溶于水的无机材料，不仅与纳米石墨具有良好的相容性，还能通过其物理特性促进石墨在基材上的附着，从而形成均匀的薄膜。通过离心分离技术，我们能够有效地控制纳米石墨在复合材料中的浓度，并去除其中的碎片和受损的薄片，进一步提升材料的纯度和性能。

为了评估这种复合材料的性能，我们通过多种技术手段对其进行了表征。首先，我们利用拉曼光谱分析了复合材料的组成，确认了纳米石墨和水玻璃的特征峰。其中，纳米石墨的D和G峰分别出现在1348 cm?1和1574 cm?1处，而水玻璃的特征峰则位于420 cm?1。这些结果表明，微流化剥离过程并未改变石墨的基本结构，同时水玻璃的存在也未对其产生明显的干扰。

其次，我们通过扫描电子显微镜（SEM）分析了复合材料的形貌。结果显示，经过微流化处理的纳米石墨在基材上分布均匀，且与水玻璃形成了稳定的复合结构。同时，离心处理进一步优化了薄片的排列，使得薄膜的均匀性和附着力显著提升。此外，我们还对薄膜的厚度进行了测量，并通过原子力显微镜（AFM）确认了其平均厚度为7纳米，而横向尺寸则保持在约1微米的范围内。这种高纵横比的纳米石墨在保持其优良物理性能的同时，还具备良好的光学透明性，使其在光学和光子学领域具有广泛的应用潜力。

为了进一步验证这种复合材料的性能，我们还对其电导率进行了测量。通过真空过滤技术，我们制备了较厚的纳米石墨薄膜，并测量了其电阻值。结果显示，经过10次微流化处理的纳米石墨薄膜具有极低的电阻值，平均电阻率仅为0.02 Ω·cm，表明其具备良好的导电性能。这一结果对于开发高性能的导电材料具有重要意义，尤其是在柔性电子器件和传感器领域。

本研究的成果不仅为石墨的剥离技术提供了新的思路，也为纳米石墨在无机基复合材料中的应用开辟了新的方向。通过微流化技术与超声处理的结合，我们成功制备出具有高纵横比和良好均匀性的纳米石墨，同时保持了其横向尺寸的完整性。这种材料在光学、光子学和电子学等领域展现出广阔的应用前景，尤其是在需要透明性和均匀性的薄膜制备过程中。此外，我们还展示了如何通过离心处理控制纳米石墨的浓度，从而优化复合材料的性能。

总的来说，本研究提出了一种高效、环保且可扩展的石墨剥离方法，并成功将其应用于无机基复合材料的制备。这种方法不仅克服了传统剥离技术的诸多缺陷，还为纳米石墨在实际应用中的性能提升提供了新的可能性。未来，我们期待将这种复合材料应用于更多领域，如涂层、光学器件和光电子器件，以推动相关技术的发展。