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[1]万清喆,陈 俊,夏荣庆,等.石墨烯缺陷类型对石墨烯液相剥离影响的分子动力学模拟[J].武汉工程大学学报,2026,48(01):54-62.[doi:10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202404041]
　WAN Qingzhe,CHEN Jun,XIA Rongqing,et al.Molecular dynamics simulation of the effect of graphene defect types on liquid-phase exfoliation[J].Journal of Wuhan Institute of Technology,2026,48(01):54-62.[doi:10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202404041]
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石墨烯缺陷类型对石墨烯液相剥离影响的分子动力学模拟
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《武汉工程大学学报》[ISSN:1674-2869/CN:42-1779/TQ]

卷:
48
期数:
2026年01期
页码:
54-62
栏目:
现代大化工
出版日期:
2026-02-28

文章信息/Info

Title:
Molecular dynamics simulation of the effect of graphene defect types on liquid-phase exfoliation
文章编号:
1674 - 2869（2026）01 - 0054 - 09
作者:
万清喆1; 陈 俊1; 夏荣庆1; 蔡 璐*1; 2
1. 武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205；
2. 等离子体化学与新材料湖北省重点实验室（武汉工程大学），湖北 武汉 430205
Author(s):
WAN Qingzhe1; CHEN Jun1; XIA Rongqing1; CAI Lu*1; 2
1. School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；
2. Hubei Key Laboratory of Plasma Chemistry and Advanced Materials （Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China
关键词:
石墨烯; 液相剥离; 缺陷; 分子动力学模拟
Keywords:
graphene; liquid- phase exfoliation; defect; molecular dynamics simulation
分类号:
O648
DOI:
10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202404041
文献标志码:
A
摘要:
液相剥离法是一种可获得较高产率和单层率的石墨烯制备方法，该方法的预产物边缘大多存在缺陷，影响其后续剥离的难易及最终剥离产率和单层率，本文研究了石墨烯边缘缺陷形状对其液相剥离效果的影响。采用分子动力学模拟方法，以初始层间距为0.66 nm的石墨烯为对象，统计层间溶剂分子数量分析插层动力学；同时测量将缺陷石墨烯层间距从0.34 nm增至0.66 nm所需的垂直拉力，以及层间距为0.66 nm时水平剥离所需的最小剪切力。结果表明，边缘缺陷可显著促进石墨烯的液相剥离过程：缺陷加速溶剂分子插层，使单分子层密度提升12%~20%，并将水平剥离所需最小剪切力降低8%~33%。其中阶梯形状缺陷效果最为突出，且该规律在不同溶剂体系中保持一致。边缘缺陷可通过促进溶剂插层与降低剥离阻力改善石墨烯剥离效果。基于缺陷形成机制，建议在液相剥离过程中结合超声与低速剪切搅拌，以提升石墨烯产率与单层率。
Abstract:
Liquid-phase exfoliation is a promising method for producing graphene with high yield and a high monolayer ratio. The intermediate products of this process often possess edge defects，which cause difficulty in subsequent exfoliation as well as influence the final yield and monolayer ratio. In this study, we investigated the impact of graphene edge defect types on the efficiency of liquid-phase exfoliation. Molecular dynamics simulations were conducted using graphene with an initial interlayer spacing of 0.66 nm. The intercalation kinetics were analyzed by quantifying the number of solvent molecules between layers. Furthermore，the vertical tensile force required to expand the interlayer spacing of defective graphene from 0.34 nm to 0.66 nm，and the minimum lateral shear force needed for exfoliation at 0.66 nm spacing，were measured. Results indicated that edge defects significantly facilitated the liquid-phase exfoliation process. Defects accelerated solvent intercalation，increasing the intercalated monolayer density by 12%-20%，and reduced the minimum lateral shear force required for exfoliation by 8%-33%. Among the studied defect types，step-shaped defects demonstrated the most pronounced enhancement，a trend consistent across different solvent systems. Thus，edge defects improve graphene exfoliation by facilitating solvent intercalation and reducing exfoliation resistance. Based on the defect formation mechanism，combining ultrasonication with low-speed shear mixing during the liquid-phase exfoliation process is recommended to enhance graphene yield and monolayer ratio.

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备注/Memo

备注/Memo:
收稿日期：2024-04-29
基金项目：国家自然科学基金（21704078）
作者简介：万清喆，硕士研究生。Email：kiyohi@163.com
*通信作者：蔡 璐，博士，副教授。Email：cailu@wit.edu.com
更新日期/Last Update: 2026-03-09