石墨烯水溶液的分散性研究

蔡雨楠 徐 晨 孙凤梅

（南京信息职业技术学院 微电子学院，江苏 南京210046）

0 引言

石墨烯具有独特的二维结构和优异的物理化学性能，在材料科学、电子科学、生物医药、催化剂载体等领域有着巨大的应用前景，受到了广泛的关注。然而，石墨烯相互间存在较强的范德华作用力使其不能在溶剂中稳定分散，与其他材料的相容性也不好，容易再次层叠在一起难以打开，这是制约石墨烯研究和应用的一个主要障碍。因此，对石墨烯进行改性以提高其在溶剂中的分散性及与其他材料的相容性，具有十分重要的理论和现实意义。本文主要研究两种表面活性剂对石墨烯水溶液的分散性影响。

1 实验部分

1.1 实验仪器和药品

实验仪器：电子天平、超声波振荡器、离心机、烧杯；

实验药品：自制氧化石墨烯、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、氢碘酸、去离子水。

1.2 十六烷基三甲基溴化铵改性

我们分别配制100mL浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液四个样本，分别加入0.0mg、0.3mg、0.6mg、1.0mg的十六烷基三甲基溴化铵。搅拌后将样品放进超声波发生器内超声1小时，然后加入HI试剂，用保鲜膜封口，放在超声机内超声30min。取出后将四个样本进行离心，离心机的设置为3000转、5min。离心完成后取上清液倒入小玻璃瓶内，封口。

1.3 十二烷基磺酸钠改性

我们采用十二烷基磺酸钠对石墨烯水溶液进行改性。分别配制100mL浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液四个样本，十二烷基磺酸钠的加入量分别为0mg、5mg、25mg、50mg。搅拌后将样品放进超声机内超声1小时，然后加入HI还原剂，用保鲜膜封口，放在超声机内超声30min，得到改性的石墨烯水溶液。取出后将四个样本进行离心，离心机的设置为3000转、5min。离心完成后取上清液倒入小玻璃瓶内，封口。

2 结果与讨论

2.1 十六烷基三甲基溴化铵改性

第二天观察发现石墨烯水溶液的分散性尚可，但十六烷基三甲基溴化铵与氧化石墨烯水溶液的相容性并不是很好，瓶底有大量的白色絮状物 （见图1），可能是十六烷基三甲基溴化铵在水中的溶液度有限。通过降低该表面活性剂的浓度或许能获得较好的分散效果，由于时间的关系，没有深入研究。

图1 十六烷基三甲基溴化改性的结果

2.2 十二烷基磺酸钠改性

图2为十二烷基磺酸钠改性石墨烯水溶液放置一星期后观察的结果。

图2 十二烷基磺酸钠改性的结果1

从左向右，十二烷基磺酸钠的添加量分别为 0mg、5mg、25mg、50mg。由图2可见：没有添加十二烷基磺酸钠的石墨烯已沉淀在瓶底；随着十二烷基磺酸钠添加量的增加，石墨烯水溶液的颜色加深，说明其分散性变好；添加50mg十二烷基磺酸钠的试剂沉淀量最少，效果最好。

由于我们发现以上实验结果让人满意，于是我们设想，会不会十二烷基磺酸钠的加入量越多，石墨烯水溶液的分散性越好呢？于是我们配制100mL浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液四个样本，十二烷基磺酸钠的加入量分别为0mg、50mg、100mg、200mg。配好后我们放进超声机内超声1小时，然后加入HI试剂，用保鲜膜封口，放在超声机内超声30min。取出后将四个样本进行离心，离心机的设置为3000转、5min。离心完成后取上清液倒入小玻璃瓶内，封口。第二天观察的结果如图3。

图3 十二烷基磺酸钠改性的结果2

从右向左十二烷基磺酸钠的加入量为0mg 50mg 100mg 200mg。我们可以明显看出加入十二烷基磺酸钠50mg的石墨烯水溶液颜色最深，溶液均匀，没有明显的沉淀；十二烷基磺酸钠添加量为100mg和200mg的石墨烯水溶液上层颜色较浅，下层已出现黑色的沉淀。

以上结果表明：对于100mL浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入十二烷基磺酸钠50mg，并用氢碘酸进行还原，获得的改性石墨烯的分散效果最好。

3 结论

（1）十六烷基三甲基溴化铵改性的石墨烯溶液分散性尚可，但溶液下面出现白色絮状沉淀。

（2）对于0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，通过添加十二烷基磺酸钠使其浓度为0.5mg/mL，并加入还原剂氢碘酸，可获得稳定分散的石墨烯水溶液。

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