氧化石墨烯的制備與表征

王璇，賀曉瑩

氧化石墨烯的制備與表征

王璇，賀曉瑩

（銀川能源學(xué)院，寧夏 永寧 750100）

采用Hummers法先將3 g石墨粉經(jīng)濃硫酸進(jìn)行預(yù)氧化，在90 ℃環(huán)境下反應(yīng)4 h，再將4 g預(yù)氧化產(chǎn)品在35 ℃環(huán)境下進(jìn)行二次氧化反應(yīng)8 h，得到單層片狀的氧化石墨烯（GO）。通過掃描電鏡、X射線衍射對GO的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

氧化石墨烯；制備；表征

石墨烯是我們?nèi)祟惸壳耙阎木哂懈邚?qiáng)度的物質(zhì)，是一種由sp2雜化碳原子緊密堆積的單層石墨層片，其結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。由于層間具有較大的范德華力，容易造成聚集現(xiàn)象，也使其難溶于水和常用的有機(jī)溶劑，分散性差[1]，因此限制了石墨烯的廣泛應(yīng)用。

GO作為石墨烯的發(fā)展先鋒，也是國內(nèi)外研究熱點中無機(jī)層狀材料之一[2]。氧化石墨烯一般是由石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化而得到的一種單層材料，形成的環(huán)節(jié)分為石墨層間化合物的形成、石墨層間化合物的氧化以及氧化物的水解，產(chǎn)物水解后即成為層間存在大量極性含氧官能團(tuán)的氧化石墨[3]。

目前，氧化石墨烯制備的方法存在著工藝繁瑣，化學(xué)試劑用量較大，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢酸較多等缺點。主要制備方法有: Bordie[4]法、Staudenmaier[5]法和Hummers[6]法，其中 Hummers 法制備氧化石墨烯應(yīng)用最為廣泛[7]。針對現(xiàn)有制備方法的缺點，開發(fā)一種化學(xué)試劑使用量最少、反應(yīng)時間最短、制備工藝最簡單的方法去制備GO顯得尤為重要。

本章采用Hummers法，提出新的制備工藝去制備氧化石墨烯，時效性相對較好，而且制備過程比較簡單，產(chǎn)物的氧化程度較高，并對GO進(jìn)行表征。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

濃硫酸（98%）、硝酸鈉、濃硝酸、鹽酸（36%～38%），天津市科密歐化學(xué)試劑制造有限公司（分析純）；過硫酸鉀、石墨粉，Aladdin公司（分析純）；五氧化二磷，天津市大茂化學(xué)試劑廠（分析純）；高錳酸鉀，北京中聯(lián)化工試劑廠（分析純）；雙氧水，西安化學(xué)試劑廠（分析純）。

1.2 實驗儀器

分析天平GB2100E，上海辰華有限公司；恒溫加熱磁力攪拌DF-101S，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；臺式高速離心機(jī)H-1850，湖南湘儀實驗室儀器有限公司；超聲波清洗器KQ3200E，昆山市超聲儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱TGL-16B，上海瑯玕實驗設(shè)備有限公司；掃描電鏡Quanta 200，F(xiàn)EI公司；X-射線衍射D/MARX2200/pc，日本理學(xué)公司。

1.3 氧化石墨烯的制備

1.3.1 預(yù)氧化產(chǎn)品的制備

在三頸燒杯中依次加入2.5 g P2O5、2.5 g K2S2O8、15 mL 濃H2SO4、3 g進(jìn)口石墨粉，將溶液混合均勻，在80 ℃的恒溫磁力攪拌器中攪拌，反應(yīng)6 h后，冷卻至室溫，過濾，用超純水多次洗滌洗至溶液呈中性，然后將濾餅放入烘箱，70 ℃干燥過夜，得到預(yù)氧化產(chǎn)品。

1.3.2 Hummers法制備GO

將裝有100 mL濃H2SO4的燒杯放入冰水浴，冷卻至4 ℃以下。然后準(zhǔn)確稱取4.000 0 g的預(yù)氧化石墨和2.000 0 g的硝酸鈉于燒杯中，攪拌5 min，繼續(xù)緩慢加入12 g KMnO4（<10 ℃），控制溫度反應(yīng)2 h。再將燒杯轉(zhuǎn)移至38 ℃恒溫水浴鍋中攪拌反應(yīng)2 h。等待溶液變?yōu)楹稚吵硪?，補(bǔ)加200 mL的超純水（<98 ℃），攪拌反應(yīng)15 min，溶液顏色由褐色粘稠液變?yōu)樽攸S色溶液，加入500 mL超純水，停止攪拌，加入適量的雙氧水除去未反應(yīng)的高錳酸鉀，溶液顏色變?yōu)榱咙S色時過濾，并用5%的鹽酸洗滌濾餅，直至濾液中不能檢測到SO42-為止(用0.1 mol/L的BaCl2溶液檢驗 )，接著用超純水多次洗滌將濾餅洗至中性，最后向所得產(chǎn)物中加入適量的去離子水，將其置于KQ3200E超聲波清洗儀中超聲5～6 h，再在4 000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心3 min，取上層棕黃色的體，放入60 ℃的烘箱中干燥24 h，得到氧化石墨烯產(chǎn)品。

1.4 結(jié)果表征

1.4.1 掃描電子顯微鏡分析（SEM）

采用Quanta 200型掃描電鏡（SEM），研究合成的GO的形貌。

1.4.2 X射線衍射分析（XRD）

采用型X射線衍射儀（XRD）測試GO的晶相結(jié)構(gòu)特征，性能指標(biāo)靶材：Cu靶，Kα1；射線管功率：2.0 kW；掃描范圍：3～85o，管壓：40 kV，管流30 mA，掃描速度4o/min，分析軟件：Jade 6.5。

2 結(jié)果與討論

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種提供物體形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)三維圖像的表征手段。放大倍數(shù)從幾倍到幾十萬倍，尺度數(shù)從毫米級到納米級。本文以進(jìn)口鱗片石墨為原料，采用Hummers改進(jìn)法合成了氧化石墨烯，如圖1為氧化石墨烯SEM照片，分別是放大倍數(shù)4 000倍、2 000倍、1 000倍和500倍時的圖。從圖中可以看到：氧化石墨烯表面光滑，材料邊緣部分呈現(xiàn)褶皺狀態(tài)，邊界呈不規(guī)則片層，圖中有少許白色斑點，可能是某些溶劑未干燥導(dǎo)致。

（4 000倍、2 000倍、1 000倍和500倍）

氧化石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)與相純度通過X射線衍射技術(shù)（XRD）測試，如圖2所示。本文所制備的氧化石墨烯（002）的特征衍射峰在其2=9.94°處出現(xiàn)，由此可知，實驗成功地制備了氧化石墨烯。

圖2 氧化石墨烯XRD

3 結(jié)束語

采用Hummers法先將3 g石墨粉經(jīng)濃硫酸進(jìn)行預(yù)氧化，在高溫90 ℃環(huán)境下反應(yīng)4 h，再將4 g預(yù)氧化產(chǎn)品在中溫35 ℃環(huán)境下進(jìn)行二次氧化，反應(yīng)8 h，得到單層片狀的GO。該方法大大縮短了反應(yīng)時間，產(chǎn)物的氧化度相對較高，缺點是溫度不好把控，環(huán)境要求高。所制備的GO表面光滑，狀態(tài)蓬松，邊緣部分呈現(xiàn)褶皺的狀態(tài)，邊界呈不規(guī)則片層。

［1］楊旭宇，王賢保，李靜.氧化石墨烯的可控還原及結(jié)構(gòu)表征[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2012，9(33):1902-1907．

［2］李琰.氧化石墨烯的合成、表征及其對U(VI)、Th(IV)、Eu(III)的吸附研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012．

［3］劉平桂.聚合物嵌入氧化石墨納米復(fù)合材料的制備和表征[D].廣州:華南理工大學(xué)，1995．

［4］Brodie B C. On the atomic weight of graphite[J].，1859: 249-259．

［5］ Staudenmaier L.,Verfahren Zur Darstellung Der. Graphits?ure [J]..,1898,31: 1481-1499．

［6］Hummers Jr W S,Offeman R E. Preparation of graphitic oxide[J],1958,80(6): 1339-1339．

［7］ 李金霞.石墨烯摻雜碳印刷陣列電極的制作及其應(yīng)用研究[D].寧夏:寧夏大學(xué)，2014．

Preparation and Characterization of Graphene Oxide

,

（Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yongning 750100, China）

Hummers method was used to preoxidize 3 g graphite powder with concentrated sulfuric acid at the high temperature of 90℃ for 4h,the 4g pre-oxidized product was further oxidized at 35℃ for 8 h,andthen lamellate graphene oxide (GO) was obtained.The morphology and structure of GO were characterized by SEM and X-ray diffraction.

GO ; preparation ; characterization

銀川能源學(xué)院校級科研項目，項目號：2016-KY-Z-12。

2019-10-11

王璇（1984-），女，回族，講師，碩士，寧夏銀川人，2008年畢業(yè)于寧夏大學(xué)，研究方向：分析化學(xué)。

TQ127.11

A

1004-0935（2020）01-0036-02