石墨烯制备方法、分析方法及应用.doc

石墨烯制备、分析方法及运用 1 引言 近20年来, 碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域, 1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管(CNTs)均引起了巨大的反响。2004年，英国曼彻斯特大 学的Geim研究小组首次制备出稳定的石墨烯，震撼了整个物理界，引发了石墨烯的研究热潮。石墨烯的发现，充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs，或者堆垛成三维的石墨。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许优异性质2 石墨烯的制备方法 2.1 氧化石墨还原法 石墨先经化学氧化得到边缘含有羧基、羟基，层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物(graphite oxide)，此过程可使石墨层间距离从0.34nm扩大到约0.78nm，再通过外力剥离(如超声剥离)得到单原子层厚度的石墨烯氧化物(grapheneoxide)，进一步还原可制备得到石墨烯。这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片，产量高，应用广泛[1]。 （1）化学氧化一般用无机强质子酸(如浓硫酸、发烟HNO3或它们的混合物)处理原始石墨，将强酸小分子插入石墨层间，再用强氧化剂(如KMnO4、KClO4等)对其进行氧化； （2）剥离的方法一般用超声剥离法，即将石墨氧化物悬浮液在一定功率下超声一定的时间。超声波在氧化石墨悬浮液中疏密相间地辐射，使液体流动而产生数量众多的微小气泡，这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成生长，而在 正压区迅速闭合，在这种被称之为空化效应的过程中，气泡闭合可形成超过1.0 ×108Pa个大气压的瞬间高压, 连续不断产生的高压就象一连串小爆炸不断地冲击石墨氧化物，使石墨氧化物片迅速剥落生成单层石墨氧化物。 （3）最后，制备的单层石墨烯氧化物还需经还原后才能得到石墨烯，还原的方法有化学还原法、热还原法、电化学还原法等。化学还原法中常用的还原剂有硼氢化钠、肼等；王波[2]利用乙二胺(EDA)对氧化石墨烯(GO)进行还原制备了还原 态氧化石墨烯(RGO)，考察了RGO复合材料在静态吸附条件下对Pb(II)、Cd(I1)、Cu(II)和Mn(II)金属离子的吸附性能。 刘雪楠[3]以纳米石墨为原料，用两种方法分别制得石墨烯GN-1和GN-2 方法一：将0.6g纳米石墨加入到4.8 mL浓硫酸中，加入1.0 g五氧化二磷和1.0 g过硫酸钾，搅拌8 h后将混合液过滤，用去离子水洗涤抽滤至滤液呈中性，所得固体放在70℃真空干燥箱中干燥12h。然后加入5 m L 的过氧化氢，升温至5 5℃热水浴中磁力搅拌至溶液无气泡产生为止。过滤，用去离子水洗至滤液呈中性，所得固体在70℃真空干燥箱中干燥12 h，所得到的物质为氧化石墨。取0.2 g氧化石墨加人到170 mL三次水中，超声振荡分散，滴加入10mL的水合肼到 黑色混合液中，将混合液升温至95℃油浴中加热，同时磁力搅拌12 h。将混合液过滤，用去离子水洗涤抽滤至滤液呈中性，所得固体在70℃真空干燥箱中干燥12 h，所得到的石墨烯为GN.1 方法二：将 0.5 g纳米石墨加入到12 m L浓硫酸中，超声振荡1 h，控制体系温度为0℃，缓慢加人研磨后的高锰酸钾1.5g，然后混合液缓慢加热到55℃，磁力搅拌至溶液为浆糊状后停止加热，自然冷却至室温。再次将整个体系温度降至0℃，缓慢加入140 mL 三次水，然后再加人5 mL的过氧化氢，升温至5 5℃热水 浴中磁力搅拌至溶液无气泡产生为止。过滤洗涤至滤液呈中性，所得固体在70℃真空干燥12 h得到氧化石墨。取0.2 g氧化石墨加入40 m L 三次水中，超声振荡分散后，将混合液在85℃水浴中加热。加入1.0 g的硼氢化钠，反应12 h后过滤洗涤至滤液呈中性，所得固体在70℃真空干燥箱中干燥12 h，所得到的石墨烯标记为GN -2。 2.2 化学气相沉积法 化学气相沉积(CVD)法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法，与制备CNTs不同，用CVD法制备石墨烯时不需颗粒状催化剂，它是将平面基底(如金属薄膜、金属单晶等)置于高温可分解的前驱体(如甲烷、乙烯等)气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型生长的温度前驱体的流量等参数可调控 石墨烯的生长(如生长速率厚度面积等)，此方法已能成功地制备出面积达平方厘米级的单层或多层石墨烯, 其最大的优点在于可制备出面积较大的石墨烯片。 2.3外延生长法 该方法一