阎兴斌实验室-石墨烯制备方法

本文利用改进的Hummer法制备石墨烯,此方法操作简单,不需太多的实验设备,可实现大规模的石墨烯生产。首先,对石墨进行预氧化处理。将6 g高纯石墨缓慢加入到混合溶液(H2SO4: 12 ml; K2S2O8: 2.5 g; P2O5:2.5 g)中,在80 C油浴中搅拌4.5 h, 待混合物冷却至室温后加入1.0 L去离子水, 然后过滤、洗涤而除去产物中残留的酸等,臵于60 C烘箱中干燥。其次,对预氧化的石墨进行氧化。将预氧化的石墨粉加入到0 C的浓硫酸(240 ml)中,然后缓慢加入 KMnO4(30 g),此过程要保持混合物的温度低于20 C,然后将混合物在35 C保温2 h后,然后加入0.5 L去离子水。此过程中,水的加入会释放出大量的热,因此要在冰浴中进行并保持温度低于50 C,接着再加入1.4 L去离子水和40 ml的H2O2,溶液的颜色变为亮黄色。最后使用体积比为1:10的盐酸溶液对混合物进行洗涤,随之将混合物转移至透析袋中进行透析,以除去产物中残留的酸和杂质。

最后,使用超声波粉碎机(600 W, 0.5 h)对氧化石墨浆料进行剥离,然后加入适量的水合肼在50 C下回流2 h,最后过滤、洗涤和干燥即可得到石墨烯粉体。

石墨烯的制备过程中的注意事项:

(1)石墨的预氧化。预氧化的目的是为了更好的对石墨进行氧化。通过预氧化,石墨片的边缘发生氧化反应,-OH、 -COOH等基团被嫁接到石墨片的边缘,破坏了石墨片紧密的层间结构,为石墨的完全氧化做好准备。

(2)石墨的继续氧化。石墨继续氧化的过程中,要注意控制高锰酸钾的加入速率,避免因加入过快使反应的温度急剧升高导致石墨烯表面被过度的氧化,进而导致最后所得石墨烯的缺陷增多,使石墨烯许多独特的性质发生改变甚至消失。

(3)还原氧化石墨。要合理控制水合肼的用量,若加入肼的量太少,则石墨烯表面及边缘的氧化基团很难被完全去除,使石墨烯完美的结构产生缺陷,大大的降低了石墨烯的导电性及其它一些优良的性质;石墨烯是只有一个原子层厚的片状结构,要想在大量使用时仍尽量保持其独特的形貌,则要注意控制干燥的方法。