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爱丁堡大学Valentina Erastova和杜伦大学Karl S. Coleman课题组--石墨烯分散剂的分子指纹图谱鉴定
       石墨烯等2D材料的规模化生产和分散对其商业应用至关重要。虽然通常使用液体剥离,但N-甲基吡咯烷酮(NMP)等溶剂有毒,难以放大。然而,化学空间的巨大规模阻碍了替代溶剂的研究。在这里,我们提出了一个计算管道通知有效剥脱剂的识别。经典的分子动力学模拟提供了相互作用的统计采样,能够识别成功溶剂的关键分子描述符。通过量子力学计算研究这些模拟的统计代表性配置,使我们能够深入了解表面-溶剂界面的化学物理相互作用。作为一个例子,通过这个管道,我们发现了一种潜在的石墨烯剥离剂2-吡咯烷酮,并通过实验证明它与NMP一样有效。我们的工作流程可以推广到任何2D材料和溶剂系统,能够筛选各种化合物和溶剂,以确定更安全、更便宜的生产分散体的方法。 
 
图1.管道建模。石墨表面被感兴趣的溶剂包围,并用 MD 模拟(左上角,石墨层显示为黑色)。每个溶剂分子的取向由一个向量(橙色箭头)和一个平面(黄色菱形)描述;然后提取出每种溶剂的方向与表面距离的函数关系(如右上角的2D 概率密度所示)。从物种的方向分布在第一个解壳只(显示为一个二维概率密度,右下) ,代表性的安排被确定(见两个插图的例子)。提取代表性溶剂的坐标,下面的表面和溶剂的外壳,并进行平面波 DFT 计算(左下)。 
 
图2.石墨烯片上溶剂取向的指纹图谱。该图是表面涂层溶剂分子取向的统计分布,显示了最可能的取向在较浅的颜色,如矢量(x 轴)和平面(y 轴)的仰角所描述的, (a) NMP 具有很强的对称对齐偏好。(b)二甲基亚砜具有强烈的线性特征,描述了一系列优选的比对。(c)乙醇不具有任何明显的表面有序性。 
  图3.石墨烯片表面上的NMP溶剂,(a)显示俯视图,和(b)侧视图。渲染突出了单个NMP分子,代表最常见的取向,与石墨烯(透明球体)相互作用,并被其他NMP溶剂分子(透明)包围。颜色如下:灰色代表碳,红色代表氧,蓝色代表氮,白色代表氢原子。 


图4.溶剂分散效果的实验评价。对于每种实验测试的溶剂: 环戊酮(CPN)、丙酮(DMF)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(dMI)、 N- 甲基吡咯烷酮(NMP)、2-吡咯烷酮(PRL)。(a)描述石墨烯表面溶剂取向的指纹(详见图2和支持信息)。(b)统计拉曼分析表示为三维热图,其中黄色表示较高的样本群体,灰色表示由石墨样本占据的区域。(c)剪切混合和离心后的溶剂瓶照片; 图像下给出了溶剂中石墨烯片的浓度。测试。 
 
图5.PRL 法制备石墨烯薄片的显微分析.(a)沉积在硅片上的剥离石墨烯片的 AFM 显微照片,插入: 沿着与图像刻度相同的 x 刻度的白线的高度剖面。(b)片状横向尺寸分布,长宽平均,NMP和 PRL  TEM 平均为25。(c)较厚的少层石墨烯薄片的折叠边缘的 TEM 显微照片,其中14个碳层可见,并以白线突出显示。(d)单个石墨烯薄片的 TEM 显微照片。
 
      相关科研成果由爱丁堡大学Valentina Erastova和杜伦大学Karl S. Coleman等人于2022年发表在ACS Nano(https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04406)上。原文:Identification of Graphene Dispersion Agents through Molecular Fingerprints。

转自《石墨烯研究》公众号


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