1、第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022石墨烯是二维纳米材料，由蜂窝状排列的碳原子组成，因其优异的光热性能、力学特性和电子效应，在近年来成为了科学研究新宠。石墨烯与其他材料杂化能很好的提升材料性能，弥补材料缺陷，是石墨烯主要的应用途径。石墨烯制备方法主要有微机械剥离法、金属表面沉积法、液相剥离法和化学气相沉积法等2。目前，大量的研究报道了将石墨烯纳米结构与其他纳米材料相结合，基于能带理论可以改变载流子的输运路径，进一步提高石墨烯纳米结构的物理和化学特性。同时，贵金属中存在的自
2、由载流子受到电磁场辐射导致等离子共振特性3，表现出较强的光吸收特性。大量的理论和 光电器件与材料 纳米银/石墨烯复合纳米溶液的制备及其光学性质研究刘艳玲1，林雨萱1，龙大恺1，贾国治1，赵泽家2（1.天津城建大学 理学院，天津；2.南开大学 物理科学学院，天津）摘要：采用液相高速剪切的方法制备了石墨烯悬浊液，并对制备的石墨烯进行了扫描电镜（SEM）、拉曼光谱和紫外吸收表征分析。结果表明，通过该方法可以制备水分散良好的石墨烯溶液。进一步，通过纳米材料光热转换制备纳米银/石墨烯溶液，对不同激光功率作用下制备的纳米银/石墨烯溶液的光热转换特性进行了研究，低浓度样品溶液，在波长为808 nm，功率为3
3、00 mW，作用15 min后，温度可达到28.2。理论上，采用时域有限元差分方法，模拟了不同粒径纳米银的表面等离子体共振效应对石墨烯光热转换性能的增强作用，模拟结果与实验现象相符合。另外，对溶液的光热转换稳定性和热平衡时间常数进行了比较，发现溶液具有很好的光热转换稳定性。关键词：石墨烯；纳米银；高速剪切；光热转换稳定性中图分类号：TQ129文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0067-06Preparation and Characterization of Nano-silver and Graphene SolutionsLIU Yanling1,LIN Yux
4、uan1,LONG Dakai1,JIA Guozhi1,ZHAO Zejia2(1.School of Science,Tianjin Chengjian University,Tianjin,China;2.School of Physical,Nankai University,Tianjin,China)Abstract:In this experiment,graphene suspensions are prepared by high speed shearing method,and the prepared graphene is characterized by scann
5、ing electron microscopy(SEM),Raman spectroscopy and UV absorptioncharacterization.The results show that graphene solution with good water dispersion can be prepared by this method.Further,nano-silver and graphene solution is prepared by photothermal conversion of nanomaterials.The photothermal conve
6、rsion characteristics of the nano-silver and graphene solution prepared under the action of different laser powers are investigated.The temperature of low concentration sample solution can reach 28.2 under the action of laser with wavelength of 808 nm and power of 300 mW for 15 minutes.In theory,the
7、 enhancement effect ofsurface plasmon resonance of nano-silver with different particle sizes on the photothermal conversion performanceof graphene is simulated by using finite difference time-domain method.The simulation results are in good agreement with experimental results.In addition,phototherma
8、l conversion stability and thermal equilibrium time constant of solutions are compared and analyzed,which proves that the nano-silver and graphene solution has good stability of photothermal conversion.Key words:graphene;nano-silver;high speed shearing;photothermal conversion stability收稿日期：2022-04-1
9、8基金项目：天津市科技计划项目（20YDTPJC01560）；天津市自然科学基金（19JCYBJC23900）资助光电技术应用第37卷实验研究表明，贵金属与石墨烯纳米结构复合对光学和光电子学方面的研究表现出重要的意义。例如，YUAN等人采用氧化石墨烯（GO）作为石墨烯的前驱体，采用绿色简便的方法制备了石墨烯/Ag纳米复合材料，得到的复合材料表现出优异的抗菌性能4。MOHD 等人采用氧化石墨（GO）为石墨烯前体，以AgNO3为Ag纳米粒子的前体，采用绿色简便的 方 法 成 功 制 备 了 石 墨 烯/Ag 纳 米 复 合 材 料（GrAg NCs），所得复合材料表现出优异的光伏活性5。LIU等人
10、采用液相剥离法和原位溶剂还原法制备了 Ag 纳米颗粒装饰的石墨烯（Ag NPGNs），所制备的 Ag NPGNs 呈现出良好的电学特性6。XU等人提出了一种填充石墨烯-银复合纳米线和液体的中空纤维温度传感器，由于非对称表面等离子体共振传感区域，所设计的传感器显示出强烈的双折射，在正交偏振下支持两个独立的共振峰7。KIM等人通过真空过滤和湿转移氧化石墨烯薄膜在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物上，结合嵌入银纳米颗粒（Ag NPs）来提高导电性能，制备了多功能纺织复合材料。纺织晶体管在扩展弯曲条件下表现出高度稳定的器件性能8。文中采用液相高速剪切方法制备石墨烯悬浊液，利用SEM扫描电镜、拉曼光
11、谱和紫外吸收对制备的石墨烯溶液进行表征分析，确定其物质组成和石墨烯状态。利用二氧化碳激光器让石墨烯溶液与硝酸银溶液反应，观察反应过程中及反应后的变化，并研究了反应后的溶液光热特性。结果表明，高速剪切方法可以制备出水分散良好的石墨烯溶液，经二氧化碳激光器作用下形成的纳米银/石墨烯复合溶液，基于纳米银颗粒的表面等离子体共振效应，在特定波长光作用下具有良好的光热转化能力，纳米银的表面等离子体共振效应越强，光热转化能力越强，散热性能优异，能更快的释放物质中的热量，同时，理论上，采用时域有限元方法（finitedifference time domain，FDTD）对Ag纳米颗粒及Ag/石墨烯纳米复合结
12、构的吸收特性及表面等离子体效应进行模拟，理论分析与实验结果符合。1实验部分1.1药品和设备实验中所用到的主要材料有：石墨（C），1-甲基-2-吡咯烷酮，阿法埃莎（中国）化学有限公司（ACS级，99.0+%），硝酸银（AgNO3）。所有材料都没有进行进一步提纯和处理。实验中用到的主要设备有：LE203E/02型电子天平，上海梅特勒托利多仪器有限公司产品；高剪切均质乳化机，HR-500 型，上海沪析实业有限公司；湘仪离心机，H1650-W型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；数控超声波清洗器，KQ-100DB型，昆山市超声仪器有限公司；双光束紫外可见分光光度计，TU-1900，北京普析通用仪器有限责
13、任公司；纳米光热测试仪，Nano Heat，天津嘉银纳米科技有限公司。1.2两步法制备纳米银/石墨烯溶液称取石墨（2.5 g）溶解于 1-甲基-2-吡咯烷酮（50 ml）中，将烧杯放置于超声清洗机清水中超声分散 15 min。之后将溶液转移至高剪切均质乳化机转头下，将乳化剪切机调至A挡，8 000转/min，剪切时间为1 h。溶液温度有明显变化时，关闭剪切机，待温度冷却至室温，继续剪切。剪切结束后将溶液进行离心，用针管吸取烧杯中的溶液，注入离心样品管内，依次放入离心机，设置2 500转/min，离心2 h，离心完成后分离出上层清液，得到石墨烯悬浊液，如图1所示。所用二氧化碳激光器的激光总功率
14、70 W，光斑直径300 m，波长10.6 m。室温下在电子天平上称取硝酸银（0.01 g）加入至1-甲基-2-吡咯烷酮（7 mL）中搅拌溶解，将充分溶解的硝酸银溶液（1.8 mL）加入稀释的石墨烯溶液中，把烧杯置于加入清水的超声清洗机中超声分散15 min。将溶液均分成两份，分别在功率为15%（10.5 W），30%（21 W）的二氧化碳激光器下作用15 min，得到两份不同的溶液A1、A2，如图2所示。实验过程中，1-甲基-2-吡咯烷酮会因激光照射而蒸发，产生白色气体，激光功率越大，产生气体越多。石墨1-甲基-2-吡咯烷酮超声15 min高速剪切均质乳化机图1 石墨烯悬浊液制备流程图68第
15、6期由图2可以看出，通过激光作用，溶液颜色发生改变，激光功率越大溶液颜色变化越明显，激光功率为15%（10.5 W）A1颜色变淡，透明度变高，还能观察到黑色的石墨烯，激光功率为30%（21 W）的A2溶液呈淡黄色，说明在激光作用下溶液内的石墨烯与硝酸银发生了反应，并且激光功率越大反应越明显。根据理论可知，硝酸银在吸收激光能量并转化为局部热量的过程，会形成Ag颗粒，由此可推测溶液颜色发生变化的原因是由于反应过程中溶液里有纳米Ag颗粒产生。2结果与讨论图3（a）为上述采用液相剥离法制备的石墨烯样品的SEM图，石墨烯片层表面均呈现出薄纱层形貌特征9。图中白色部分为石墨烯边缘的卷曲处，出现多层卷曲，说
16、明片层很薄，导致出现褶皱结构，这些褶皱的出现可降低石墨烯表面能，增加其结构稳定性。图中黑色部分为层数较厚的石墨烯，颜色越深，表明层数越厚。片层表面相互堆叠，结构不平整。图像上褶皱程度明显，表明石墨烯层数较少10，说明成功制备出了少层的石墨烯。硝酸银1-甲基-2-吡咯烷酮稀释的石墨烯溶液激光激光超声15 minA1A2A1A210.5 W21 W图2 纳米银/石墨烯溶液的制备流程图强度/（a.u.）1 0001 5002 0002 5003 0003 500拉曼位移/（cm-1）D峰G峰G 峰D 峰1 m图3 石墨烯样品溶液的SEM图及拉曼谱图为进一步证实是否成功制备出石墨烯，还对样品的拉曼光谱进行了测量，测量结果如图3（b）所示。可以看到，光谱图中包括有 4个吸收峰，分别出现在1 490 cm-1、1 579.4 cm-1、2 443.6 cm-1和2 693.8 cm-1处。其中出现在1 490 cm-1的峰可以对应上石墨烯的较强吸收峰（D峰），1 579.4 cm-1的峰可以对应上石墨烯的较强吸收峰（G峰），这也表明石墨已被氧化，石墨层中的C=C双键被破坏。出现在2 443.6 c
