氧化石墨烯的制备与表征

王璇，贺晓莹

氧化石墨烯的制备与表征

王璇，贺晓莹

（银川能源学院，宁夏 永宁 750100）

采用Hummers法先将3 g石墨粉经浓硫酸进行预氧化，在90 ℃环境下反应4 h，再将4 g预氧化产品在35 ℃环境下进行二次氧化反应8 h，得到单层片状的氧化石墨烯（GO）。通过扫描电镜、X射线衍射对GO的形貌和结构进行了表征。

氧化石墨烯；制备；表征

石墨烯是我们人类目前已知的具有高强度的物质，是一种由sp2杂化碳原子紧密堆积的单层石墨层片，其结构类似蜂窝状晶格结构。由于层间具有较大的范德华力，容易造成聚集现象，也使其难溶于水和常用的有机溶剂，分散性差[1]，因此限制了石墨烯的广泛应用。

GO作为石墨烯的发展先锋，也是国内外研究热点中无机层状材料之一[2]。氧化石墨烯一般是由石墨经强酸氧化而得到的一种单层材料，形成的环节分为石墨层间化合物的形成、石墨层间化合物的氧化以及氧化物的水解，产物水解后即成为层间存在大量极性含氧官能团的氧化石墨[3]。

目前，氧化石墨烯制备的方法存在着工艺繁琐，化学试剂用量较大，反应过程中产生的废酸较多等缺点。主要制备方法有: Bordie[4]法、Staudenmaier[5]法和Hummers[6]法，其中 Hummers 法制备氧化石墨烯应用最为广泛[7]。针对现有制备方法的缺点，开发一种化学试剂使用量最少、反应时间最短、制备工艺最简单的方法去制备GO显得尤为重要。

本章采用Hummers法，提出新的制备工艺去制备氧化石墨烯，时效性相对较好，而且制备过程比较简单，产物的氧化程度较高，并对GO进行表征。

1 实验部分

1.1 实验试剂

浓硫酸（98%）、硝酸钠、浓硝酸、盐酸（36%～38%），天津市科密欧化学试剂制造有限公司（分析纯）；过硫酸钾、石墨粉，Aladdin公司（分析纯）；五氧化二磷，天津市大茂化学试剂厂（分析纯）；高锰酸钾，北京中联化工试剂厂（分析纯）；双氧水，西安化学试剂厂（分析纯）。

1.2 实验仪器

分析天平GB2100E，上海辰华有限公司；恒温加热磁力搅拌DF-101S，巩义市予华仪器有限责任公司；台式高速离心机H-1850，湖南湘仪实验室仪器有限公司；超声波清洗器KQ3200E，昆山市超声仪器有限公司；电热鼓风干燥箱TGL-16B，上海琅玕实验设备有限公司；扫描电镜Quanta 200，FEI公司；X-射线衍射D/MARX2200/pc，日本理学公司。

1.3 氧化石墨烯的制备

1.3.1 预氧化产品的制备

在三颈烧杯中依次加入2.5 g P2O5、2.5 g K2S2O8、15 mL 浓H2SO4、3 g进口石墨粉，将溶液混合均匀，在80 ℃的恒温磁力搅拌器中搅拌，反应6 h后，冷却至室温，过滤，用超纯水多次洗涤洗至溶液呈中性，然后将滤饼放入烘箱，70 ℃干燥过夜，得到预氧化产品。

1.3.2 Hummers法制备GO

将装有100 mL浓H2SO4的烧杯放入冰水浴，冷却至4 ℃以下。然后准确称取4.000 0 g的预氧化石墨和2.000 0 g的硝酸钠于烧杯中，搅拌5 min，继续缓慢加入12 g KMnO4（<10 ℃），控制温度反应2 h。再将烧杯转移至38 ℃恒温水浴锅中搅拌反应2 h。等待溶液变为褐色粘稠液，补加200 mL的超纯水（<98 ℃），搅拌反应15 min，溶液颜色由褐色粘稠液变为棕黄色溶液，加入500 mL超纯水，停止搅拌，加入适量的双氧水除去未反应的高锰酸钾，溶液颜色变为亮黄色时过滤，并用5%的盐酸洗涤滤饼，直至滤液中不能检测到SO42-为止(用0.1 mol/L的BaCl2溶液检验 )，接着用超纯水多次洗涤将滤饼洗至中性，最后向所得产物中加入适量的去离子水，将其置于KQ3200E超声波清洗仪中超声5～6 h，再在4 000 r/min 转速下离心3 min，取上层棕黄色的体，放入60 ℃的烘箱中干燥24 h，得到氧化石墨烯产品。

1.4 结果表征

1.4.1 扫描电子显微镜分析（SEM）

采用Quanta 200型扫描电镜（SEM），研究合成的GO的形貌。

1.4.2 X射线衍射分析（XRD）

采用型X射线衍射仪（XRD）测试GO的晶相结构特征，性能指标靶材：Cu靶，Kα1；射线管功率：2.0 kW；扫描范围：3～85o，管压：40 kV，管流30 mA，扫描速度4o/min，分析软件：Jade 6.5。

2 结果与讨论

扫描电子显微镜(SEM)是一种提供物体形态和表面结构三维图像的表征手段。放大倍数从几倍到几十万倍，尺度数从毫米级到纳米级。本文以进口鳞片石墨为原料，采用Hummers改进法合成了氧化石墨烯，如图1为氧化石墨烯SEM照片，分别是放大倍数4 000倍、2 000倍、1 000倍和500倍时的图。从图中可以看到：氧化石墨烯表面光滑，材料边缘部分呈现褶皱状态，边界呈不规则片层，图中有少许白色斑点，可能是某些溶剂未干燥导致。

（4 000倍、2 000倍、1 000倍和500倍）

氧化石墨烯的晶体结构与相纯度通过X射线衍射技术（XRD）测试，如图2所示。本文所制备的氧化石墨烯（002）的特征衍射峰在其2=9.94°处出现，由此可知，实验成功地制备了氧化石墨烯。

图2 氧化石墨烯XRD

3 结束语

采用Hummers法先将3 g石墨粉经浓硫酸进行预氧化，在高温90 ℃环境下反应4 h，再将4 g预氧化产品在中温35 ℃环境下进行二次氧化，反应8 h，得到单层片状的GO。该方法大大缩短了反应时间，产物的氧化度相对较高，缺点是温度不好把控，环境要求高。所制备的GO表面光滑，状态蓬松，边缘部分呈现褶皱的状态，边界呈不规则片层。

［1］杨旭宇，王贤保，李静.氧化石墨烯的可控还原及结构表征[J].高等学校化学学报，2012，9(33):1902-1907．

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

［3］刘平桂.聚合物嵌入氧化石墨纳米复合材料的制备和表征[D].广州:华南理工大学，1995．

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

［5］ Staudenmaier L.,Verfahren Zur Darstellung Der. Graphitsäure [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.石墨烯掺杂碳印刷阵列电极的制作及其应用研究[D].宁夏:宁夏大学，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

银川能源学院校级科研项目，项目号：2016-KY-Z-12。

2019-10-11

王璇（1984-），女，回族，讲师，硕士，宁夏银川人，2008年毕业于宁夏大学，研究方向：分析化学。

TQ127.11

A

1004-0935（2020）01-0036-02