石墨烯的制備及表征

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1、石墨烯制備及表征摘要本文采用液相氧化法制備氧化石墨烯，考察濃硫酸用量，高錳酸鉀用量，室溫氧化時間及90oC下氧化時間對氧化石墨生成的影響，初步探討了石墨的液相氧化過程。研究結果表明：XRD可表征產物的氧化程度，氧化程度足夠高的產物其XRD譜中出現尖銳的氧化石墨面的特征衍射峰。制備氧化石墨烯的原料為天然鱗片石墨，濃硫酸，高錳酸鉀，雙氧水。使用的設備儀器有電子分析天平，攪拌器，恒溫水浴箱，真空干燥器，超聲波震蕩器，離心沉淀機，管式爐。1前言石墨在濃硫酸，硝酸，高氯酸等強酸和少量氧化劑的共同作用下可形成最低階為1階的石墨層間化合物，這種低階石墨層間化合物在過量強氧化劑如高錳酸鉀，高氯酸鉀等的

2、作用下，可繼續(xù)發(fā)生深度液相氧化反應，產物水解后即成為氧化石墨，在制備的過程中濃硫酸等的用量室溫，高溫反應的時間都對最終產物有較大影響。因此控制試劑的用量及反應的時間存在較大的難度。本文就濃硫酸，高錳酸鉀的用量，室溫及90℃高溫的反應時間，和節(jié)約試劑等方面對該反應進行了進一步探究，找出了一套更完美的實驗方案。2實驗2.1氧化石墨烯和石墨烯的制備將10g石墨和適當量濃硫酸和高錳酸鉀依次加入500mL三口燒瓶中，室溫反應1h，加入約60ml蒸餾水，再升高溫度至90oC反應，反應一個半小時結束后倒出，加入40ml雙氧水反應0.5h后加入大量蒸餾水終止反應。再將其洗滌至中性后再低溫(45°C左右

3、)烘干，即得氧化石墨。將氧化石墨置于通有氬氣的石英管中于560°C膨脹約10min。再將其緩慢加熱(約2°C/min)至1100°C，將氧化石墨還原使其脫除含氧基團，并完全實現層間剝離，生成石墨烯片。實驗流程圖如下：2.2X射線衍射(XRD)X射線衍射分析(XRD)采用荷蘭產PHILIPSX’PERTMPDPRO型轉靶X射線衍射儀，陽極Cu靶(CuKα)，工作電壓為40KV，電流為30mA。采用X射線對樣品晶體結構進行分析，可以得到樣品組成信息。X射線衍射分析的樣本只需取干燥過的樣品粉末少許即可。3結果與討論3.1濃硫酸用量對氧化石墨生成的影響實驗中，分別采用了75ml、100ml、1

4、50ml濃硫酸的用量以及15g高錳酸鉀，20ml雙氧水，2小時的低溫反應時間，4小時高溫反應時間的實驗條件細粒來研究濃硫酸量對所制得的產物的影響。但氧化后的膨脹實驗中這3個樣都沒有明顯的膨脹現象。從石墨以及100ml濃硫酸用量所得的氧化石墨樣品的XRD譜圖(如圖3.2)中也可以看到，該氧化石墨樣中代表石墨的2θ≈36°的特征峰并未消失，強度減弱亦并不明顯，僅現一定程度的寬化。可以推測這種情況的出現是由于石墨層間有少部分被氧化而使得部分區(qū)域的晶面間距拉大的結果。由于這3個樣品膨脹現象均不明顯，因而無法對此三樣品進行比較。在一定范圍內濃硫酸量越大則氧化程度越高。但過大的酸用量會加大生產成本

5、和產物處理難度，因此濃硫酸用量適量即可。在實驗中，150ml濃硫酸與30g高錳酸鉀配比在反應過程中大部分樣品附著在燒瓶壁上，導致樣品無法進行攪拌，使得反應物的混合可能并不均勻，因此濃硫酸量應使反應物能夠混合均勻，故而以下的實驗均是使用200ml的濃硫酸。圖3.2低用量濃硫酸量氧化前后樣品XRD圖譜比較3.2高錳酸鉀用量對氧化石墨生成的影響在上述實驗中，高錳酸鉀用量為15g時，石墨基本無變化。為此改變了實驗中高錳酸鉀用量。其中，室溫氧化時間和90oC下氧化時間分別為2小時和4小時，雙氧水40ml。高錳酸鉀用量為15g，20g，25g時氧化后的樣在膨脹實驗中均沒有明顯反應，只有當其量增加到

6、30g時氧化后樣品膨脹非常明顯。因而可以推測，高錳酸鉀量對反應效果有至關重要的影響。這從濃硫酸用量為100ml高錳酸鉀用量為15g的實驗樣本與濃硫酸用量150ml高錳酸鉀用量30g的樣本亦可看出。其氧化產物的XRD譜圖(如圖3.3)顯示當高錳酸鉀用量為15g時，其XRD譜圖中2θ≈26°處的石墨特征峰并沒有十分明顯的變化，而當高錳酸鉀用量增加至30g時譜圖中天然鱗片石墨在2θ≈26°處的特征峰在氧化反應以后明顯減弱、拉寬，并且向低角度移動，在2θ≈11°處出現一處新的強衍射峰。根據布拉格公式：d=λ/(2sinθ)(3.1)其中d是晶面間距，λ是為X射線的波長(Cuka波長為0.154

7、06nm)，θ是掠射角(也稱布拉格角，是入射角的余角，2θ才是衍射角)，可以計算此氧化產物的晶面間距約是0.80nm。相對于原料石墨而言，氧化后其晶面間距明顯增大，表明了氧化石墨的生成。在膨脹反應中該樣品有較劇烈的膨脹，那么2θ≈11°處的峰即氧化石墨的特征峰。也就是說，當高錳酸鉀用量為30g時產物氧化程度比用量為15g時大。并且高錳酸鉀用量少于30g的產物樣本膨脹時無明顯反應，那么其氧化效果應該是與高錳酸鉀用量為15g時相似。因此在該實驗中3