薄纸氧化石墨和石墨烯的制备及表征

作者：Iflowpower – Kaasaskantava elektrijaama tarnija

采用改进的Hummers法成功制备了薄纸状氧化石墨层，并用肼将制备的片状氧化石墨层还原为石墨烯纳米材料。 合成产品经傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(RS)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等检测。 对其结构和性能进行了表征。

结果表明，石墨烯厚度为0.36nm，层数为3层。 此外，本文还结合改进的Hummers法制备薄纸状氧化石墨的反应机理，分析了石墨氧化过程中发生的化学反应过程。

2004年，GEIM等人采用机械剥离法制备了一种由SP2杂化碳原子层组成的新型二维原子晶体—石墨烯。 石墨烯的基本结构单元是苯六元环，长度仅有0.34纳米。

因此石墨烯具有许多优异的物理化学性能，如强度为钢的100倍，可达130gPa，载流子迁移率达到15000cm2/(v·s)，热导率达5000W/(m·K)等。 此外石墨烯还具有室温量子霍尔效应、室温铁磁性能等特殊性质。 目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法、晶体外延生长法和溶剂热法。

其中，微机械剥离法可以制备微米尺寸的石墨烯，但是可控性较低，难以实现规模化生产。 采用晶体外延生长法由于SiC晶体表面容易发生重构，因此可以得到很大面积、厚度相当于一片石墨烯的SiC薄膜。 化学气相沉积法（CVD）以金属单晶或者金属薄膜为基底，可以生长一层薄层石墨烯片层，但是石墨烯纯度不高，无法实现大规模生产。

溶剂热法由于高温、高压等条件苛刻，且产品导电性较低，不具备量产的可能性。 化学氧化还原法是采用超声波剥离、Hummers法还原过程制备石墨烯。 该方法由于生产周期短、合成产量高的优点受到广泛影响和研究。

Hummers法中，准备石墨，包括低温（0℃）、中温（38℃）和高温（98℃），氧化剂为浓H2SO4和KMNO4。 通过对石墨氧化过程的研究,对Hummers方法进行修改,即延长中温反应阶段的时间段,取消高温反应阶段。 取消了高温阶段的反应工序，不仅避免了高温反应时硫酸引起的喷发危险，而且避免了高温阶段的热分解反应，降低了石墨的氧化程度。

理论和实验上，层状氧化物层可以在低温、安全、稳定的条件下制备。 采用水合物还原法将制备好的石墨制备成石墨烯纳米材料，得到了薄纸状氧化石墨和石墨烯材料。 1、实验1。

1、原料鳞片石墨（粒度：325目，首富纳米技术有限公司）；浓硫酸（95%～98%）；高锰酸钾、氢化硝酸钠（30%）、盐酸、氯化钡、氢氧化物（80%）等。

进行了分析。 以上药品未特别说明，均购自国药集团上海化学试剂公司。 以上所有试剂均不直接处理。

1.2、样品制备1）薄纸状氧化墨水（GO）层的制备将230 mL（98%）浓硫酸置于1000 mL三口烧瓶中，在恒温磁力和冰水浴下，5.0 Gnano3和10。

0g石墨混合物，中速搅拌30分钟，使其混合均匀。 将30GKMNO4逐渐加入到混合物中，并在0°C下搅拌2小时。 将三个烧瓶移入已调节温度为38℃左右的恒温水浴中，持续30h，进行中温反应。

待中温反应温度升高后，将混合物转移至2000 ml烧杯中，用去离子水稀释至1000 mL，加入200 mL (5%) H2O2，反应液变为金黄色。 离心采用高速离心机，转速为4000r/min，用预热的5%HCl和去离子水洗涤直至滤液中检测到硫酸为止，将悬浮液移入蒸发皿中，60℃真空干燥，形成氧化石墨。 2)将还原后的石墨烯分散于100ml水溶液中，取1ml石墨墨水置于三口烧瓶中，加热至90℃，滴加2ml水合物，在此条件下反应24h后过滤，所得产物用甲醇和水多次洗涤，60℃以上干燥得石墨烯。

1.3、测试与表征XRD衍射分析采用日本Rigaku D/MAX-RB衍射仪(Cu靶,Kα辐射,λ=0.154056nm),扫描范围5°～80°;红外光谱(FT-IR)分析采用ThermonicoLET公司的NEXUS傅里叶变换红外光谱,KBR片,波长范围400～4000cm-1;拉曼光谱(Raman)分析采用英国Renishaw公司的INVIA型微无级激光拉曼光谱仪,记录范围为100～3200cm-1,激光波长为785nm,空间分辨率横向为1μm,纵向为1μm;扫描电子显微镜(SEM)采用S-4800FESEM扫描电子显微镜;透射电子显微镜(TEM)采用日本JEO公司JEM-2100F型场透射高分辨率透射电子显微镜;原子力扫描探针显微镜（AFM）采用美国Veeco公司的Nanoscope4型原子力显微镜。

结论a. 通过分析石墨氧化过程中的氧化过程，提出了取消高温反应阶段的改进Hummers法，通过超声剥离、水合物还原处理得到石墨烯。 B.

TEM和AFM测试结果表明石墨烯厚度为0.36nm，层数为3层。 c.

该方法安全简单、产量大、易于控制，提供了一种快速简便、规模化制备薄纸状石墨烯的方法，为石墨烯的商业化应用提供了基础。 .