石墨烯的制备及表征.docVIP

石墨烯制备及表征 摘要 本文采用液相氧化法制备氧化石墨烯，考察浓硫酸用量，高锰酸钾用量，室温氧化时间及 90oC下氧化时间对氧化石墨生成的影响，初步探讨了石墨的液相氧化过程。研究结果表明：XRD可表征产物的氧化程度，氧化程度足够高的产物其XRD谱中出现尖锐的氧化石墨面的特征衍射峰。制备氧化石墨烯的原料为天然鳞片石墨，浓硫酸，高锰酸钾，双氧水。使用的设备仪器有电子分析天平搅拌器恒温水浴箱真空干燥器超声波震荡器离心沉淀机管式炉将10g石墨和适当量浓硫酸和高锰酸钾依次加入500 m三口烧瓶中，室温反应1h，加入约60ml蒸馏水，再升高温度至9oC反应，反应一个半小时结束后倒出，加入40ml双氧水反应0.5h后加入大量蒸馏水终止反应。再将其洗涤至中性后再低温(45°C左右)烘干，即得氧化石墨。 将氧化石墨置于通有氩气的石英管中于560°C膨胀约10min。再将其缓慢加热(约2°C/min)至1100°C，将氧化石墨还原使其脱除含氧基团，并完全实现层间剥离，生成石墨烯片。实验流程图如下： .2 X射线衍射(XRD) X射线衍射分析(XRD)采用荷兰产PHILIPS X’ PERT MPD PRO型转靶X射线衍射仪，阳极Cu靶(CuKα)，工作电压为40KV，电流为30mA。采用X射线对样品晶体结构进行分析，可以得到样品组成信息。 X射线衍射分析的样本只需取干燥过的样品粉末少许即可。 图3.2低用量浓硫酸量氧化前后样品XRD图谱比较 3.2 高锰酸钾用量对氧化石墨生成的影响 在上述实验中，高锰酸钾用量为15g时，石墨基本无变化。为此改变了实验中高锰酸钾用量。其中，室温氧化时间和90oC下氧化时间分别为2小时和4小时，双氧水40ml。高锰酸钾用量为15g，20g，25g时氧化后的样在膨胀实验中均没有明显反应，只有当其量增加到30g时氧化后样品膨胀非常明显。因而可以推测，高锰酸钾量对反应效果有至关重要的影响。这从浓硫酸用量为100ml高锰酸钾用量为15g的实验样本与浓硫酸用量150ml高锰酸钾用量30g的样本亦可看出。其氧化产物的XRD谱图(如图3.3)显示当高锰酸钾用量为15g时，其XRD谱图中2θ≈26°处的石墨特征峰并没有十分明显的变化，而当高锰酸钾用量增加至30g时谱图中天然鳞片石墨在2θ≈26°处的特征峰在氧化反应以后明显减弱、拉宽，并且向低角度移动，在2θ≈11°处出现一处新的强衍射峰。根据布拉格公式： d=λ/(2sinθ) (3.1) 其中d是晶面间距，λ是为X射线的波长(Cuka 波长为0.15406nm)，θ是掠射角(也称布拉格角，是入射角的余角，2θ才是衍射角)，可以计算此氧化产物的晶面间距约是 0.80nm。相对于原料石墨而言，氧化后其晶面间距明显增大，表明了氧化石墨的生成。在膨胀反应中该样品有较剧烈的膨胀，那么2θ≈11°处的峰即氧化石墨的特征峰。也就是说，当高锰酸钾用量为30g时产物氧化程度比用量为15g时大。并且高锰酸钾用量少于30g的产物样本膨胀时无明显反应，那么其氧化效果应该是与高锰酸钾用量为15g时相似。因此在该实验中30g的高锰酸钾是比较适宜的用量。但其具体最佳用量尚待进一步研究。 图3.3 高锰酸钾用量不同所得氧化石墨的XRD图谱比较 3.3 室温氧化时间对氧化石墨生成的影响 表3.1 低温反应时间不同时氧化石墨膨胀现象比较 序号 360℃时膨胀现象 1min后开始膨胀，有爆炸声，持续到第2min 第2min开始有爆炸声，一直间断持续到第9min，取样时瓷舟内有些小亮片 无明显现象 从XRD谱图(图3.4)来看，低温氧化时间为1小时的氧化石墨特征峰强度是最大的，其次是2小时和0.5小时的。这与上述膨胀时的现象可以很好的相符合：可膨胀氧化石墨含量越大，反应越剧烈。并且也说明可膨胀氧化石墨的产量与低温反应时间并不是成正比例的，并非氧化时间越长，所得可膨胀氧化石墨含量就越高，而是存在一个最佳值。对于工业生产来说，这是一个比较好的现象。 事实上，我们还可以看到，这三个样的石墨特征峰均基本消失，即氧化后的样品中已经不存在晶面间距为0.34nm的石墨，而是已全部转化。低温反应时间是0.5小时的样氧化石墨的特征峰最低，故而其氧化程度其实是最高的，层间剥离程度最高。但为什么会出现这种波动状况尚有待进一步的实验研究。实验中要求达到最好的氧化程度，因此可采用0.5小时的低温氧化时间。但氧化程度对膨胀生成氧化石墨烯效果的影响还有待进一步检测比较。 图3.4 不同低温氧化时间下生成的氧化石墨的XRD 3.4 90oC下氧化时间对氧化石墨生成的影响 表3.2 90oC下氧化时间不同的氧化石墨膨胀现象比较 序号 360℃时