超分散石墨烯的制备与表征小论文201368.docVIP

超分散石墨烯的制备与表征 王振廷 王洋 （黑龙江科技大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨 150022） 摘要：以200目天然鳞片石墨为原料，采用Hummers法首先制备出氧化石墨，再对氧化石墨进行高压气体膨胀处理，并结合超声分散的方式，使得氧化石墨片层发生剥离，最后在硼氢化钠的还原作用下得到均匀分散的石墨烯悬浮液。采用透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱和X射线衍射仪（XRD）测试手段对制备出的样品进行了表征。结果表明：通过该方法成功的制备出石墨烯材料，石墨烯材料极薄，呈现透明的薄片状结构，厚度仅为0.39nm，约为10层左右，在水中有较好的稳定性和分散性。 关键词：石墨烯；高压膨胀；超声剥离；化学还原；分散性 1 引言 一直以来，人们普遍认为完美的2维晶体由于热力学不稳定， 而难以在非绝对零度下独立稳定的存在。直到2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov等人通过简单的胶带反复粘撕高定向石墨的方法得到单层的石墨烯材料以后，这一假想才得以改变[1]。从结构上看，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积形成具有二维蜂窝状晶格结构的晶体[2]。石墨烯结构极其稳定，碳原子之间的连接十分柔韧。当受到外力时，碳原子面发生弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力。石墨烯完美的二维晶格结构使其具有优异的力学性能[3]（强度高达130GPa、优异的柔韧性和伸展性）、热学性能[4]（热导率高达5000W/m(K）、电学性能[5]（电子迁移速率高达2(105cm2/(V(s)）和光学性能[6]（单层石墨烯的光吸收率仅为2.3%），同时石墨烯具有极大的比表面积，高达2600m2/g，使其对周围的气体环境具有较好的气体敏感性[7]。石墨烯优异的性能使其在纳电子器件、传感器件、透明导电材料、复合材料、储能材料和催化材料等领域具有广阔的应用前景[8]。 目前制备石墨烯材料的主要方法有机械剥离法[9]、SiC单晶和金属晶体外延生长法[10-11]、化学气相沉积法[12]、有机合成法[14-15]和氧化还原法[16]。其中机械剥离法和有机合成法制备石墨烯的产量较低，难以实现规模化生产；外延生长法的制备条件严苛，对真空度要求较高，生产成本高，难以实现规模化生产；化学气相沉积法制备的石墨烯一般是由尺寸小于20μm的石墨烯拼接而成的[13]，而且需要通过腐蚀除去金属基体来得到制备出的石墨烯，工艺复杂，成本较高，制备周期长，同样难以实现规模化生产。氧化还原法的生产成本低，制备工艺简单，周期短，产率高，是目前宏量制备石墨烯最重要的方法，但是该方法由于氧化石墨制备过程的参与，会使得制得的石墨烯含有一定量的含氧基团和缺陷，对石墨烯材料的导电性等有一定的影响[8]，因此如何实现低成本、高质量、大规模石墨烯材料的制备是研究热点与难点。本文在氧化还原法制备石墨烯的基础上进行优化改进，在采用Hummers制备出氧化石墨之后，首先将氧化石墨进行高压气体膨胀处理，使得石墨层间的含氧化合物汽化分解，石墨层间距离增大，片层之间的结合力减小，然后再采用超声分散和化学热还原相结合的方式制备出均匀稳定、高度分散的石墨烯悬浮液，该制备方法的还原程度较高，使得石墨层间的含氧化合物充分与石墨进行分离，同时可使石墨片层间的剥离程度较高，而且该制备工艺简单，绿色环保，可实现大规模、低成本、高质量石墨烯的制备。 2 试验材料及方法 2.1 试验材料 200目天然鳞片石墨（萝北，含碳量≥99.7 %）、浓硫酸（纯度95~98%）、高锰酸钾（分析纯，纯度≥99.5%）、硝酸钠（纯度≥99.0%）、双氧水（纯度≥30%）、硼氢化钠（分析纯）。 2.2 石墨烯的制备 （1）氧化石墨的制备 采用Hummers法制备氧化石墨，主要有3个反应阶段，低温反应阶段：在磁力搅拌器的不断搅拌下，在冰水浴中将5g天然鳞片石墨缓慢加入到110ml浓硫酸中，缓慢加入2.5g硝酸钠和15g高锰酸钾，加完后反应2小时，温度控制在15℃以下。中温反应阶段：将反应物置于38~40℃的温水浴中，在不断搅拌下反应30min。高温反应阶段：在不断搅拌下向反应物中缓慢加入一定量的蒸馏水和双氧水，于98℃反应30min。反应结束后，将反应物用蒸馏水洗涤，直至BaCl2检测无白色沉淀为止，最后将反应物在40~50℃下烘干为止。 （2）石墨烯材料的制备 称取0.1g氧化石墨，对其进行高压气体膨胀处理，将膨胀后的氧化石墨与一定量的蒸馏水混合，超声振荡形成均匀分散的氧化石墨溶液，加入一定量的硼氢化钠，在100℃下加热回流8h。静置过滤，制得石墨烯悬浮液。 2.3 石墨烯材料的表征 本文通过透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱和X射线衍射仪（XRD）对石墨烯材料的微观组织结构进行表征。