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《石墨烯的制備及表征》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
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(chǎn)物的氧化程度，氧化程度足夠高的產(chǎn)物其XRD譜中出現(xiàn)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
2、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，高氯酸鉀等的作用下，可繼續(xù)發(fā)生深度液相氧化反應，產(chǎn)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(chǎn)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60m
3、l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)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(xiàn)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(chǎn)PHILIPSX’PERTMPDPRO型轉靶X射線衍射儀，陽極Cu靶(CuKα)，
4、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、150ml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(chǎn)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(xiàn)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
5、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(xiàn)一定程度的寬化?？梢酝茰y這種情況的出現(xiàn)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(xiàn)象均不明顯，因而無法對此三樣品進行比較。在一定范圍內(nèi)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(chǎn)成本和產(chǎn)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
6、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
7、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(chǎn)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(xiàn)一處新的強衍射峰。根據(jù)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0.15406nm)，θ是掠射角(也稱布拉格角，是入射角
8、的余角，2θ才是衍射角)，可以計算此氧化產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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
