石墨烯的制備與表征

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1、氧化石墨烯還原的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)摘要還原氧化石墨烯(RGO)是一種有趣的有潛力的能廣泛應(yīng)用的納米材料。雖然我們花了相當(dāng)大的努力一直致力于開(kāi)發(fā)還原方法,但它仍然需要進(jìn)一步改善,如何選擇一個(gè)合適的一個(gè)特定的還原方法是一個(gè)棘手的問(wèn)題。在這項(xiàng)研究中,還原氧化石墨烯的研究者們準(zhǔn)備了六個(gè)典型的方法:N2H4·H2O還原,氫氧化鈉還原,NaBH4還原,水浴還原,高溫還原以及兩步還原。我們從四個(gè)方面系統(tǒng)的對(duì)樣品包括：分散性,還原程度、缺陷修復(fù)程度和導(dǎo)電性能進(jìn)行比較。在比較的基礎(chǔ)上,我們提出了一個(gè)半定量判定氧化石墨烯還原的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2、這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將有助于理解氧化石墨烯還原的機(jī)理和設(shè)計(jì)更理想的還原方法。引言單層石墨烯,因?yàn)槠洳粚こ５碾娮有再|(zhì)和應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的潛力,近年來(lái)吸引了巨大的研究者的關(guān)注。目前石墨烯的制備方法,包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、微機(jī)械剝離石墨,外延生長(zhǎng)法和液相剝離法。前三種方法因?yàn)槠浍@得的石墨烯的產(chǎn)品均一性和層數(shù)選擇性原因而受到限制。此外,這些方法的低生產(chǎn)率使他們不適合大規(guī)模的應(yīng)用。大部分的最有前途生產(chǎn)的石墨烯的路線(xiàn)是石墨在液相中剝離氧化然后再還原,由于它的簡(jiǎn)單性、可靠性、大規(guī)模的能力生產(chǎn)、相對(duì)較低的材料成本和多方面的原因

3、適合而適合生產(chǎn)。這種化學(xué)方法誘發(fā)各種缺陷和含氧官能團(tuán),如羥基和環(huán)氧導(dǎo)致石墨烯的電子特性退化。與此同時(shí),還原過(guò)程可能導(dǎo)致發(fā)生聚合、離子摻雜等等。這就使得還原方法在化學(xué)剝離法發(fā)揮至關(guān)重要的作用。到目前為止,我們花了相當(dāng)大的努力一直致力于開(kāi)發(fā)還原的方法。在這里我們展示一個(gè)簡(jiǎn)單的分類(lèi):使用還原劑(對(duì)苯二酚、二甲肼、肼、硼氫化鈉、含硫化合物、鋁粉、維生素C、環(huán)六亞甲基四胺、乙二胺(EDA)、聚合電解質(zhì)、還原糖、蛋白質(zhì)、檸檬酸鈉、一氧化碳、鐵、去甲腎上腺素)在不同的條件(酸/堿、熱處理和其他類(lèi)似微波、光催化、聲化學(xué)的,

4、激光、等離子體、細(xì)菌呼吸、溶菌酶、茶溶液)、電化學(xué)電流,兩步還原等等。這些不同的還原方法生成的石墨烯具有不同的屬性。例如,大型生產(chǎn)水分散石墨烯可以很容易在沒(méi)有表面活性穩(wěn)定劑的條件下地實(shí)現(xiàn)由水合肼還原氧化石墨烯。然而,水合肼是有毒易爆,在實(shí)際使用的過(guò)程中存在困難。水浴還原方法可以減少缺陷和氧含量的阻擾。最近,兩個(gè)或更多類(lèi)型的還原方法結(jié)合以進(jìn)一步提高導(dǎo)電率或其他性能。例如,水合肼還原經(jīng)過(guò)熱處理得到的石墨烯通常顯現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。正如我們所知,石墨烯獨(dú)特的性能與其單層的片層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。然而目前有些還原方法卻由于范

5、德華力的作用造成了不可逆轉(zhuǎn)的團(tuán)聚，給石墨烯的后續(xù)操作及應(yīng)用帶來(lái)了麻煩。盡管也有不少人報(bào)道了采用超聲化學(xué)、穩(wěn)定劑等手段來(lái)防止石墨烯的團(tuán)聚。其他案例主要集中在選擇還原劑或反應(yīng)的環(huán)境而不是產(chǎn)品的最終屬性,尤其是不關(guān)心他們是否可以使用行業(yè)。除此之外,它還應(yīng)該指出的是,氧化石墨烯溶液的還原方法并非都適合氧化石墨烯薄膜的還原。因?yàn)榛搴脱趸┍∧け旧響?yīng)該滿(mǎn)足還原條件。因此需要一個(gè)簡(jiǎn)單而又快捷的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)還原石墨烯的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。與此同時(shí),還原機(jī)理（關(guān)注的環(huán)氧樹(shù)脂的去除)仍然是模糊的和氧化石墨烯或石墨烯的詳細(xì)結(jié)構(gòu)仍不清

6、楚,很難建立一個(gè)簡(jiǎn)單的和操作簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)用于不同教育方法。有報(bào)道稱(chēng),電氣/量子阻力是用于區(qū)分作原始/外延石墨烯。但如果測(cè)量石墨烯的電導(dǎo)率仍然存在還原程度和缺陷修復(fù)程度的影響的問(wèn)題。為了避免研究人員的混淆,給常見(jiàn)的還原方法進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)比較是很有重大意義的。在這篇文中,我們選擇了六種不同的方法對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，然后對(duì)可分散性,還原程度、缺陷修復(fù)程度和通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定電導(dǎo)率,紫外-可見(jiàn)吸收光譜、x射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、拉曼光譜和四探針電導(dǎo)率測(cè)量等幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析。而系統(tǒng)比較應(yīng)該有助于理解

7、還原的機(jī)理的和進(jìn)一步發(fā)展更理想的還原法。實(shí)驗(yàn)部分合成和純化氧化石墨烯是由一個(gè)修改過(guò)的Hummer方法制備的。天然石墨(5克,50個(gè)網(wǎng)格,純度99.95%,華東公司.)與氯化鈉(100克)接觸30分鐘。之后,真空過(guò)濾用水沖走氯化鈉。剩下的石墨在60C烤箱加熱24小時(shí)蒸發(fā)掉所有的水。干燥的固體與115毫升濃硫酸在一個(gè)1000毫升圓底燒瓶中混合,在室溫下攪拌24小時(shí)。接下來(lái),0.5gNaNO3加到混合液中溶解20分鐘。然后將燒瓶放在冰浴,并將15克KMnO4緩慢加入,且保持溫度低于20C1.5h。然后把溶液放到油

8、浴中加熱到35—40C1h。然后增加度溫度70C,保持30分鐘,之后,添加15毫升的水到瓶中,這時(shí)需要增加溫度至100c.保持溫度20分鐘。二十分鐘后再加入15毫升的水。30分鐘后,加入200毫升的水補(bǔ)。然后加入500毫升的冰水合成懸濁液;這一步可以稀釋和冷卻系統(tǒng)到50c。15分鐘后,加入50毫升的30%過(guò)氧化氫于燒瓶中用力攪拌。將懸濁液在室溫下攪拌1小時(shí)。懸濁液低速離心3次(4500rpm,15分鐘)后,用5%