石墨烯比表面积及其影响因素研究

刘中伟,王常春,2,孙 蕾,马玉晓,李东田

(1.山东恒华新材料有限公司,山东 临沂 276000;2.临沂大学材料科学与工程学院,山东 临沂 276000)

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的、具有蜂窝状晶格结构的二维碳质材料,因其具有密度小、比表面积大等特点,而且在力学、电学、光学等方面具有很多独特而优异的性能,已成为物理、化学和材料科学领域的研究热点。自2004年被发现以来，引起了世界各国的高度关注和热烈追捧。

目前，石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化石墨烯化学还原法和溶液剥离法等。本文以石墨粉为原材料，采用低温扩张法生产石墨烯，主要原理如图1。

图1 低温扩张法生产石墨烯原理

1 实验部分

1.1 主要原材料

石墨粉(粒径80目，纯度99%，青岛天和达石墨有限公司生产)；金属钠(工业级，山东默锐科技有限公司生产)；液氨(山东祥龙集团生产)。

1.2 试验方法

准确称取46.0g石墨粉及115.5g金属钠依序加入插层反应器中，密封后加入200.0g液氨，搅拌反应，每隔十分钟记录一次反应压力及反应温度；反应结束后(待压力升至最大值并保持半小时不变)，泄压回收反应尾气，根据剩余物料重量计算液氨消耗量，补充消耗掉的液氨，继续反应，反应结束后泄压回收尾气，将料放置湿式捕集器中过滤，取过滤粉体，用去离子水清洗至中性，放入260℃烘箱内烘干即得石墨烯。采用全自动比表面及微孔分析仪(Autosorb-IQ-XR)测试石墨烯的比表面积。

2 结果与讨论

2.1 物料比例对石墨烯比表面积的影响

实验中所用的物料比例如表1所示，其对石墨烯比表面积的影响如图2所示。由图可见，随着钠添加量的增加，石墨烯的比表面积逐渐增加。这是因为，随着钠添加量的增加，插入石墨层间的插层剂分子增加，在后期膨胀过程中石墨烯剥离剥离效果更好，石墨烯比表面积增加。

表1 物料比例对石墨烯比表面积的影响

图2 物料比例对石墨烯比表面积的影响

2.2 插层时间对石墨烯比表面积的影响

实验中所用的插层时间如表2所示，其对石墨烯比表面积的影响如图3所示。由图可见，随着插层时间的增加，石墨烯的比表面积逐渐增加。但插层时间超过5个小时后，石墨烯比表面积增加速度变缓。这是因为，随着插层时间的增加，插入石墨层间的插层剂分子增加，在后期膨胀过程中石墨烯剥离效果更好，石墨烯比表面积增加。但当插层时间超过5个小时后，石墨层间的插层剂分子接近饱和，增长缓慢。

表2 插层时间对石墨烯比表面积的影响

图3 插层时间对石墨烯比表面积的影响

2.3 烘干温度对石墨烯比表面积的影响

实验中所用的烘干温度如表3所示，其对石墨烯比表面积的影响如图4所示。由图可见，随着烘干温度的升高，石墨烯的比表面积快速增加。但烘干温度超过165℃后，石墨烯比表面积不再增加。这是因为，随着烘干温度的升高，石墨烯中的水分逐渐蒸发，有利于石墨烯粉体的分散，石墨烯比表面积增加。但当烘干温度超过165℃后，石墨烯已接近干燥，再继续提升烘干温度，石墨烯比表面积不再增加。

表3 烘干温度对石墨烯比表面积的影响

表3(续)

图4 烘干温度对石墨烯比表面积的影响

2.4 pH值对石墨烯比表面积的影响

实验中所用电解液的pH值如表4所示，其对石墨烯比表面积的影响如图5所示。由图可见，随着电解液pH值的降低，石墨烯的比表面积一开始快速增加。但当电解液的pH值小于10后，石墨烯比表面积增加速度变缓。这是因为，随着电解液pH值的降低，有利于插层剂分子插入石墨层间，在后期膨胀过程中石墨烯剥离剥离效果更好，石墨烯比表面积增加。但当电解液的pH值小于10后，石墨层间的插层剂分子增加缓慢，进而使得石墨烯比表面积增速变缓。

表4 pH值对石墨烯比表面积的影响

图5 pH值对石墨烯比表面积的影响

3 结论

采用低温扩张法对石墨插层、膨胀、剥离成功制备了石墨烯粉体，测试了石墨烯粉体的比表面积，并对其影响因素进行了分析。实验表明，随着钠添加量的增加，石墨烯的比表面积逐渐增加；随着插层时间的增加，石墨烯的比表面积逐渐增加。但插层时间超过5个小时后，石墨烯比表面积增加速度变缓；随着烘干温度的升高，石墨烯的比表面积快速增加。但烘干温度超过165℃后，石墨烯比表面积不再增加；随着电解液PH值的降低，石墨烯的比表面积一开始快速增加。但当电解液的PH值小于10后，石墨烯比表面积增加速度变缓。