소수 생산 시뮬레이션을 통한 실험 결과 검증

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9872(2022) 이 기사 인용

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놀라운 2차원 탄소 나노구조인 그래핀은 전자적, 기계적, 화학적 특성으로 인해 전 세계의 주목을 받아 왔습니다. 따라서 그래핀을 생산하기 위해서는 경제적인 대량생산 방법을 찾을 필요가 있다. 본 연구의 목표는 물-에탄올 그린 용액에서 소수층 그래핀(FLG)의 박리를 위한 최적의 조건을 찾는 것입니다. 우리는 용액 내 그래핀 층의 수와 그래핀 밀도에 미치는 영향을 조사하기 위해 전력량 및 초음파 처리 시간과 같은 초음파 탐침의 다양한 매개변수를 변경했습니다. 또한, 수치 시뮬레이션을 이용하여 초음파 프로브(sonotrode)의 다양한 출력 전력에 대한 파동방정식을 풀어 음압 분포를 예측하려는 시도가 이루어지고 있다. 시뮬레이션과 실험은 서로를 검증합니다. 동일한 조건에서 출력 전력을 수정하면 초음파 반응기 내부의 음압이 크게 변경된다는 결론을 내렸습니다. 우리 실험의 90% 출력 전력에서 음압 차이는 다른 조건보다 훨씬 높습니다. UV-가시광선 스펙트럼, SEM(주사전자현미경), TEM(투과전자현미경) 이미지 및 라만 스펙트럼을 활용한 실험 결과는 이러한 샘플의 최소 두께와 최대 박리가 최대 유효 출력 전력의 90%에서 초음파 처리에 대해 획득되었음을 나타냅니다. 초음파 처리기는 55분 동안 264W입니다.

최근 탄소의 단일 원자층인 그래핀은 독특한 나노 구조, 기계적, 전기적 및 새로운 열적 특성으로 인해 연구에서 상당한 주목을 받고 있습니다. 최초의 선구적인 실험은 미세 기계적으로 절단된 단층에 대해 수행되었지만 미세 기계적 방법은 생산 수율이 낮고 처리량이 좋지 ​​않다는 단점이 있습니다. 그래핀을 미래 산업 응용 분야에 활용하기 위해서는 대규모, 고출력 가공 방법이 필요합니다6. 현재 그래핀 산화물의 환원은 그래핀 제조에 선호되는 확장 가능한 방법입니다. 이 방법에서는 Hummers 수정 방법에 따라 흑연을 산화시킨 후 물에서 산화 흑연을 박리하여 산화 그래핀(GO)의 수성 분산액을 제공하고 추가로 산화를 열적 또는 화학적 환원으로 제거할 수 있습니다7,8. 그러나 산화 그래핀을 환원해도 여전히 높은 결함 밀도가 유지되어 특성이 저하됩니다.

대부분의 연구자들은 그래핀 산화물의 한계를 극복하기 위해 천연 흑연 플레이크의 직접적인 용액상 박리에 초점을 맞춰왔습니다. 화학 기상 증착(APCVD) 방법9,10을 사용하여 대기압에서 폴리스티렌을 증발시켜 몇 층의 그래핀을 합성했습니다. 그래핀 시트는 계면활성제 수용액과 특정 유기 용매에서 초음파 처리11 또는 전단 박리12를 통해 추출할 수 있습니다. 몇몇 그룹에서는 N-메틸-2-피롤리돈13(NMP) 및 디메틸포름아미드14(DMF)에서 그래핀을 제조하여 그래핀 나노시트를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 용매는 40mJm−2에 가까운 표면 장력을 가지며 흑연을 FLG15로 직접 박리하는 데 적합합니다. 그러나 이러한 용매는 끓는점이 높아 실제 사용 가능성이 제한됩니다. 따라서 저비등점 용매에 그래핀을 분산시키는 것은 나노복합체16 나노플라즈몬17,18,19, 스마트 코팅20 및 고주파 장치21,22,23과 같은 많은 응용 분야에 유용합니다. 많은 보고서는 DI 물-에탄올24,25,26에서 생산된 MoS2 나노플레이크 및 그래핀에 대한 초음파 처리 매개변수의 효과를 제시합니다. 단시간 초음파 처리로 에탄올에서 천연 흑연 플레이크를 각질 제거하는 간단하고 저렴하며 에너지 효율적인 초음파 처리가 보고되었습니다. 전자 전이에 대한 더 깊은 이해를 위해 하향식 방법과 UV-Vis 분광학을 사용하여 다양한 형태의 흑연과 그 산화물의 박리 속도를 결정하는 연구가 제시되었습니다. 다른 기사에서는 UV-Vis에 대해 알아볼 수 있습니다. GO 분산에서 소수 층 시트의 비율을 빠르고 저렴하게 측정하는 방법입니다.