毕业设计（论文）-石墨烯的制备与表征.pdf

本本科科毕毕业业论论文文 石墨烯的制备与表征 Preparation and Characterization of Graphene 学院名称：化学与环境工程学院 专业班级：高分子材料与工程 12-1 学生姓名：耿莉芳 学号：201205040042 指导教师姓名：王 芳 指导教师职称：副教授 2016 年 5 月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标 注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成 果， 也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使 用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已 在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者签 名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集、 保存、 使用毕业设计 （论文） 的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版 本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录 检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段 保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全 部内容。 作者签名：日期： 目录 摘 要. I AbstractII 引言. 1 第 1 章 石墨烯的发展，特征及应用.2 1.1 石墨烯的发现.2 1.2 石墨烯的结构2 1.3 石墨烯的性质.3 1.3.1 稳定性能.3 1.3.2 透明性与不透明性3 1.3.3 导电性.4 1.3.4 机械特性4 1.4 石墨烯的制备方法5 1.4.1 固相法.5 1.4.2 液相法.6 1.5 石墨烯的应用8 第 2 章 石墨烯的制备与表征.10 2.1 氧化石墨烯的制备.10 2.1.1 反应所需试剂10 2.1.2 实验设备11 2.1.3 氧化石墨的制备流程图11 2.1.4 氧化石墨的制备步骤.12 2.1.5 石墨烯的制备步骤13 第 3 章 分析与表征.14 3.1 石墨烯表征与分析.14 3.2 石墨烯的表征及分析14 3.2.1XRD 表征.14 3.2.2 红外光谱表征15 结论17 致谢18 参考文献.19 I 石墨烯的制备与表征 摘摘 要要：本实验是关于石墨烯的制备，以及石墨烯的一些特性的研究。石墨烯， 是一种晶体，二维结构的简单晶体。在我们生活中常遇到的或者听到的石墨是一 种层式有着蜂窝状的序列排布有规则的，平面碳原子堆积而形成的一种物质。 在 2004 年被科研者发现以来，可以说是瞬时间被科研工作者追捧甚至痴迷 的研究。经过不断的研究和实验，其被提出可大肆应用于未来技术革新方面，当 然由于其特殊性质，石墨还被认为是在未来可能取代硅材料的新型电子材料。通 过介绍石墨烯的结构，性质，以及未来应用等，对石墨烯的制备方法及研究进行 简单综述。实验中通过利用氧化还原法对天然鳞片石墨进行氧化，超声分散，得 到氧化石墨，经过还原剂进行还原，制得石墨烯。 关键字：氧化石墨 超声剥离 石墨烯 II Preparation and characterization of graphene Abstract：This experiment is about the preparation of graphene, as well as some of the characteristics of graphene.Graphene is a crystal, two-dimensional structure of a simple crystal. Its often encountered in our life, or hear the graphite is a layer type has a honeycomb like arrangement of the sequence of rules, the plane carbon accumulation and the formation of a substance In 2004, it was discovered by researchers, it can be said that the instant time is pursued by research workers and even obsessed with research. After continuous research and experiments, it is proposed to be used in the future of technological innovation, of course, because of its special nature, graphite is also considered in the future may replace the silicon material of new electronic materials.By introducing the structure, properties and future applications of graphene, the preparation methods and research of graphene were reviewed. In the experiment, the natural graphite flake graphite was oxidized by the oxidation reduction method, ultrasonic dispersion was obtained, and graphite oxide was obtained.After the reduction, graphene was prepared. Keywords:grephite oxide, ultrasonic, Graphene 1 引引言言 石墨烯现在的已经慢慢的登上了生活的舞台， 他不仅对科学的发展有着不同 寻常的作用，更是在未来对我们的生活息息相关。石墨烯作为未来新型材料，在 很多领域已被慢慢尝试着应用其中。 作为良好的导电材料， 电子产品的器件应用， 对于石墨烯材料来说，是非常成功的尝试和发展，当然也会是未来半导体材料的 很理想的替代材料。不仅有良好的导电性，石墨烯的强度也是非常可观的，作为 迄今发现最薄的二维材料，石墨烯的结晶性和力学性能不言而喻。有研究发现并 大胆猜测，如果把石墨烯做成纳米材料管，将会是很好的电器材料的桥梁作用， 不仅能解决导电问题，还能作为支撑材料医用与工程器件中。石墨烯的作用和特 性将会在不久的将来被越来越大的实现其作用。 下文就是对石墨烯进行简单研究 及表征，来了解下石墨烯的特性及特征。 2 第第 1 1 章章 石墨烯的发展，特征及应用石墨烯的发展，特征及应用 1.1 石墨烯的发现 说到石墨烯的发现，还要回到 2010 年的一次数据显示，是有关石墨烯的分 析报告而使得两位英国曼切斯特大学教授荣获时尚光荣的诺贝尔物理学奖的消 息，这两位教授分别是 Andre Haim 教授和 Konstantin Novo Seaan Love 教授。他 们俩是通过一种非常简单而有趣的物理方法使石墨薄片剥离而提取出了石墨烯。 他们先将石墨通过剥离得到石墨薄片，然后用胶带粘敷在其薄片的两面处，通过 互反方向的撕扯，而使得石墨薄片分层分开，他们发现这样能使得石墨薄片越来 越薄，也就是说，这种操作可以层状石墨在受力情况下一分为双，于是就重复性 的做这样的操作动作，最后得到单层非常薄的薄片，也就是所谓的石墨烯。 在这之后的时间里，世面上浮现的有关石墨烯制备的方法越来越多，越来越 丰富而有效，经过这几年的发展，制备方法越来越成熟有效，甚至人们觉得，石 墨烯的工厂化发展及制备也有可能在不就得未来得以实现。 但让由于两位教授做 出了关于石墨烯材料的贡献，也是的这两位大学教授在 2010 年成拿下诺贝尔奖 项。 1.2 石墨烯的结构 石墨烯是从石墨中剥离出来的单层分子。理想的石墨烯结构即是平面的六 边形点阵结构，他的每个原子的杂化结构均是 sp2杂化，同时每个原子又会贡献 剩余的一个轨道的电子，即 p 轨道上的电子从而形成大键，都知道键的电子 云并非集中在两原子核中间，而是分布在两侧，从而使得核原子对其束缚力极其 小，也因此使得电子拥有极强的流动性，流动性好，及电子自由转移，更好的 赋予了石墨烯拥有良好的导电性。 二维结构的石墨烯是其形成基本单元的因素所 在。 石墨烯晶体薄膜的厚度，仅有 0.335 纳米之多，20 万片的石墨烯薄膜堆叠到 3 一起，也才只有小小的头发丝的厚度1。当然，石墨烯的结构式相当稳定，碳碳 单键间仅为 1.24A 。碳六圆环的点阵结构，使得其内部间的连接很柔韧。所以， 当石墨烯收到外部压力时，其面部会弯曲变形，碳原子不必重新排列其内部结构 来适应外边的压力，从而保证了结构的稳定。这也使得石墨烯自身材料具有极其 优良的导热性能2。 更有科学家首次清晰的拍摄到了单个分子的照片，并表示可成功的看到连 接分子结构的原子键结构。 这也就是美国设瑞士苏黎世研究实验室内， 一种为 “非 接触式原子力显微术”的一项技术，来探测分子内部情况3。当然，这也使得分 子原子间的研究被推向了最小领域。 而这对石墨烯材料装置的探究与研讨具有极 其重要的意义及影响。在越来多的学者和研究工作者对石墨烯的探究中，不断的 发现了石墨烯准离子的无质量狄拉克费米子的特性，还有量子霍尔效应，很好的 导热效率特性等等， 使得在纳米微纳米技术研究领域印发了前所未有的科技研究 高潮，同时在，物理，化学，力学，材料学方面引发了广泛的讨论和关注，而且 石墨烯材料也被应用到了半导体材料中来， 还有新材料的应用和研究以及期间的 开发等领域当中。 1.3 石墨烯的性质 1.3.1 稳定性能 谈到石墨烯的性能， 首先想到的就是它的稳定性能。 由于石墨烯的结构特殊， 是有六碳原子围成的正六边形结构，使得其成层状分布，因此厚度也只有一个原 子层样子。 由碳碳单键连接而成结构使得石墨烯具有比较优越的刚性结构和力学 性质，由于结构比较稳定，其硬度远高于市面较好钢铁强度的 100 倍之多，更大 胆的说法来解释，甚至能超越钻石的硬度，这归结于石墨烯结构的特殊性4。当 然不仅如此， 从热力学角度分析研究石墨烯你会发现石墨烯的稳定性比我们预期 想象的更加好，更加完美，它可以在 3000C 的高温下保持固体姿态，在高达 3850C 的温度下，石墨烯即达到其熔点值。相比金刚石的熔点也只在 3550C 左 右。综合多种比较和研究证明，石墨烯比金刚石性质还要稳定5。其是稳定性相 当好的材料，在诸多方面也很有应用价值。 1.3.2 透明性与不透明性 4 可以说石墨烯是世界上已知的最为薄，最为高硬度的碳纳米材料，结构厚度 为原子层，也使得单层石墨烯表现的状态几乎接近于透明状态。当有光照射时可 以发现，光不容易穿透石墨烯碳原子核，但是可以穿过其大部分的空间，因此石 墨烯几近表现为透明状；但说回来呢，石墨烯虽然只有一层层状结构，但他自身 有着相当的不透明度，研究发现只吸收可见光线中百分之 2.3 的光度值6。因此 有一种理论为“载荷子相对论性”的表现也是石墨烯的一种性质的表现。 1.3.3 导电性 石墨本身就具有导电性能，在高中的原电池那一章节总总提到，石墨棒可做 电极来完成原电池实验的工作。石墨烯也不例外，石墨烯本神也具有极强的导电 性能，我们可以想象下，某种材料拥有者指数达 5300W/m.k 的导热系数，正常 温度下有超过 15000cm2/V.s 的电子迁移率，这样的材料电阻率只有大约 10-6.cm 的阻值，阻值相比铜金属和银金属而言更低，是世界上电阻系数和电 阻率最小的材料。由于石墨烯的电阻率非常低，结构特殊使得其中的电子迁移的 速度也非常快7，所以他被科研者期待用于发展更为轻薄，导电速率更为快捷的 新型一代的电子元件产品中，或者是晶体管材料中，来时的产品的效率更为高效 便捷。说到导电性，还要说一些。导电是由于自由电子自由移动产生微妙的电势 差而产生的导电能力，石墨烯良好的导电性是由于石墨烯中的电子在迁移时，电 子的速度可达到光速的 1/300 之快8，这个速度远远大于电子在常规导体的移动 速度。这种表现形式和相对论性的中微子相当相似，石墨烯中的电子的性质 9。 石墨烯为层状结构，所有原子都直接的参与了离域空间，也使得石墨烯层 上下侧间的电子都是可以直接自由的移动，这也是石墨烯导电机理所在。石墨烯 层间共建单键的稳定相连， 使得其层间的各个位置不会出现所谓的碳原子缺失或 者被杂原子取代的情况， 当然这也保证了电子在这其中作以高速移动的时候不会 受到所谓的晶体缺失缺陷的影响， 也可以说石墨烯层中碳碳单键连接方式中存在 的大键得以一直保持其完整性，使得里边的电子的高速的传递导流，因此石墨 烯具有极其强的导电性能10。 1.3.4 机械特性 石墨烯为何有这么高的硬度，是因为石墨烯中碳原子或绕核电子，只单单是 在碳原子核的平径方向面上贴符着和运动着， 而碳原子核的两极的轴方向上却并 5 无绕核电子的存在，也就是说，石墨烯表面上直立的或排列的只单单是原子核， 倘若存在外部物质与它有着撞击作用， 他所针对撞击的对象是直接撞在了原子的 原子核上，而不是外围的绕核电子层。所以说呢，石墨烯的所组成的表面所表现 出来的的性能是异常的硬的。 表 1.1 碳纳米管薄膜与石墨烯薄膜的结构与性能 分类碳纳米管薄膜石墨烯薄膜 结构树冠交织着连接，成网状由石墨烯构成单层片，厚度为 结构，其最小厚度与管束单层厚度，强度高，有柔韧性 的直径基本相当，强度高 有柔韧性 导电性导电率 10-310-5S/m导电率 10-410-6S/m 透光性透光性良好，举例；厚度 40单层石墨烯对光的吸收率 nm 波长 440nm 的可见光透为 2.3%薄膜有良好的透光性， 射光约 80% 11 1.4 石墨烯的制备方法 1.4.1 固相法 固相法是指将碳源置于某环境， 以机械或者类似的方法已得到石墨烯的一种 方法。 机械剥离法：由于石墨烯之间室友碳碳单键连接，只收范德华力细微的影响 结合着，从外界施加一定的外力，即可轻松地从石墨上剥离“吸附”出石墨烯下 来。机械剥离法的主要操作就是拿胶带黏住石墨片的两侧，利用胶带的吸附力， 在石墨片两侧不断粘扯，使其剥离出石墨烯。这种剥离的方法得到的石墨烯样， 一般体积不容易固定，其大概在几到几十微米之间，当然也有大的，其宽度会达 到毫米数量级，这种的话即使我们肉眼，就可以观察到。制备的时候一般可以采 用天然鳞片石墨作为原料，还有一种机械剥离方法制备石墨烯比较简单操作，就 是： 拿一个固体在石墨固体表面反复的摩擦，使石墨烯就像收到磁力一样吸附在 摩擦固体的表面，当然这种方法得到的石墨烯，其体积更不容易控制，而且由于 6 操作条件及设备状态的缘故，生产出来的石墨烯量很小12。 还有其他的如静电沉积法，淬火法等剥离方法也可以值得石墨烯。在这里边 要说下静电沉积法。 静电沉积法： 是将具有高定向性热解的石墨通以直电流作用， 在静电捕捉器的云母基底上通过放电来获得索要制备的石墨烯。通电过程中，通 过调节电压的大小，来定向的控制石墨烯片片层厚度。 在2004 年Manchester 大学Geim 所领导的研究小组在Science上发表了有关 论文，报道出了他们通过机械剥离的方法（mechanical exfoliation）制备出了最 大宽度达到几近 10-6m 的石墨烯片。这种方法是利用氧等离子束在刻蚀出宽度 2010-6m，510-6m 深的热解石凹面槽，把石墨烯片状压制在符抗蚀剂的二氧化 硅/硅的基底上，高温烘烧，之后用透明胶带机械性的剥离出多余的石墨片13， 硅晶片上剩余的些许石墨薄片取走浸泡在丙酮中， 混合水之后在超声波仪器中超 声清洗14，除走大量的厚片层之后得到将近 10nm 左右的石墨片层，而这些薄层 将依靠所受的范德华力或者毛细作用力下紧紧地与二氧化硅相结合， 最后即可在 原子力显微镜作用下观察，挑选出其厚度仅有几个单层厚度的石墨烯层即可。这 种方法值得的石墨烯宽度达到微米数量级尺寸， 但是并不容易得到单层厚度的个 体石墨烯片层，产率同样很低，不易工厂化生产以及应用。 诺沃肖洛夫等人通过这种方法，制备出了单层的石墨烯产品，并通过检验验 证了单层石墨烯的制备成功。 其能够独立存在随着 Meyer 等机械剥离法制备含单 层石墨烯的硅晶片放置于经过可刻蚀过的金属框架上，使用酸将硅晶片腐蚀掉， 有成功的制备了由金属支架支撑的悬空的单层石墨烯产品15。 而之后他们通过研 究发现， 所获得石墨烯并不是一个完整的单层平面结构， 而是平面上有一定高度。 之后 Schleberger 等同样方法，将二氧化硅基底换成其他不同的绝缘晶体基底做 同样的实验过程，制得的石墨烯层厚度非常薄只有 0.34nm，远远小于在二氧化 硅基底实验制得的石墨烯层厚度， 这种方法的出现有事的我们考虑制备小厚度的 石墨烯时，与基底厚度是否有一定的相互作用呢？ 1.4.2 液相法 固相法值得的石墨烯质量是相当的高， 但是产率却很低， 效率低下。 近年来， 为了实现石墨烯的大量的生产， 越来越多的氧化石墨或者膨胀石墨制备方法被试 验出来，以及传统的制备方法等等，都用来应用于石墨烯的制备和研究。 7 氧化还原法：氧化还原法制备石墨的第一步就是制备氧化石墨。而制备氧化 石墨的方法有很多， 但都要经过对石墨进行氧化剥离制得鳞片石墨或者用鳞片石 墨加入含有较强氧化剂的高浓度酸类进行氧化值得氧化石墨， 之后再进行剥离分 散制得氧化石墨烯16。 根据目前的发展来看， 氧化石墨烯的制备技术已经发展的 很完善，成熟，其步骤基本可分为三步来做：氧化，剥离，分散。在最初的氧化 阶段， 鳞片石墨被强氧化剂氧化， 其石墨层边缘会产生很多含氧官能团 （如羟基， 环氧基，羧基等等），这时候石墨的层间距会增大，变成氧化石墨；之后氧化石 墨会在超声或者热解条件下膨胀，发生剥离现象而分散在溶剂中，从而生成单层 或者多层养护石墨烯分散剂。 氧化石墨烯的发现由来虽然是有制备石墨烯时而被发现的， 但氧化石墨首次 制备可查阅文献出现在老早的 1895 年左右。现在制备氧化石墨的方法主要分为 化学氧化法和电化学氧化法两种17。化学氧化法就是用无机酸来处理原始石墨， 使强酸分子插入石墨层间隙中，再利用强氧化剂进行氧化处理值得。化学氧化法 又包括我们知道的：Hummer 法，Bridie 法等等。 Bridie 法：在体系中，利用氧化剂为辅助剂，在反应前温度需先维持在 0C 然后在后续升温至 61C-79C，在搅拌器作用下不断搅拌反映大概 24h 左右，洗 涤，制得的氧化石墨纯度较低，需要进行多次的氧化处理来提高其氧化程度。当 然这种方法所需的时间较长。 但实验中同时间来控制氧化程度制得的氧化石墨的 结构还是比较规整的。但实验中由于使用的氧化剂氧化性较强，具有一定的危险 性。而且有一定的赌气体放出，当然还有如在气体浓度较大还可能发生爆炸。 Hummer 法：采用浓硫酸体系，加强氧化剂，反应离心，洗涤，超声，烘干 值得。前期可分为三个阶段：低温（4C），中温（34C），高温（98C）反应 阶段。这种方法的优点是改进了一些试剂的替代，减少了有毒气体的产生，提高 了实验的安全操作性。同事这个方法制的产品的时间上用的较短，产物的氧化程 度较高，颜色观察上较为明显。操作中在水相中发生层离较明显，但缺点是在操 作过程中，需要控制的操作工艺较复杂繁琐。 8 表 2.1 典型制备方法的比较 制备方法特点 机械剥离法人为操作方法简单，可制备出高质量石墨烯 薄膜面积小，产能低，应用方面受限 氧化还原法实验成本较低，也可以实现大量制备石墨烯， 制备的时间长，产物缺陷严重，其性能影响 大 1.5 石墨烯的应用 石墨烯的特性探究表明，其自身强度较高，室内透光性较好，导电性能也极 其良好，相比硅材料而言，是很理想的导电材料的选择。作为单层六角原包碳原 子组成的蜂窝状二维晶体，其自身的稳定性较好，有利于应用航空航天材料的发 展，其前景也是很光明的。 导电性良好，可以发展现代手机行业，用作手机芯片的电导体材料应用，这 样不仅可以改良手机内部系统运算的速度和精度， 更多的是让手机的功能和用途 更加的对生活有力，同时对手机行业的发展也是一项很有意义的进步之举。作为 导电材料而言，导电效率是人们头疼也是人们必须解决的问题，石墨烯自身电阻 较小，且材料轻薄，结构也较为稳定，很好地解决了导电效率的问题。是未来材 料领域的值得重点发展的方面。 自身强度高这一天特性是非常难得的，且自身结构比较稳定，有科学家就大 胆的说，可以用石墨作为一种连接月球到地球的连接物质。当然这一大胆提出， 也说明了石墨烯的自身强度是非常大的， 多层的石墨烯压接在一起可已组成一个 类似堆叠起来的拧绳一样，可以承受相当大的外界作用力。所以这种具有特殊强 度材料，可以应用于航天航空抗压材料的替代材料领域，解决了在外太空中工作 或者作业时，更有保证的确保人类或者机体本身更加安全高效的运作。 在国外，石墨烯的研究工作进行的如火如荼，单在美国，其国家自然科学基 金对石墨烯的资助项目就达到 200 项之多18。 包括石墨烯超级电容器应用， 和大 规模纳米制造的领域项目19。 更有在美国国防预研局投资千万美元研制低耗能的 9 石墨烯晶体管，用于雷达和成像等多个领域。2011 年，英国将石墨烯的研究列 为今后重点发展的四项新兴技术之一。2012-2018 年韩国原知识经济部更是投资 上亿美金用于石墨烯技术研发和应用研发20。 无论是在国内还是国际，石墨烯的研发和应用已经登上科技发展进程，并且 石墨烯的的应用远远不止这些，它的特性相当的有优势，发展新型材料过程中， 石墨烯是个比较热门且实用的材料，相信在不久的将来，石墨烯的应用会更加的 便利我们的生活和科技的进步。 10 第第 2 2 章章 石墨烯的制备与表征石墨烯的制备与表征 石墨烯的制备方法繁多，而现在既简单操作又成本低廉，能实现规模化操作 的方法就是氧化还原法。 氧化还原法是将天然石墨原料在强酸性条件下和强氧化 剂混合进行反应生成氧化石墨，再经过超声溶解，分散制备得到氧化石墨烯，通 过加入强还原剂还原去除氧化石墨表面的含氧官能团得到石墨烯。 氧化还原的方 法有一定的缺点，所使用的的强酸强氧化剂可将破坏其结构完整性，而且在一定 程度上限制了其在某些各领域的应用。 2.1 氧化石墨烯的制备 2.1.1 反应所需试剂 表 3.1 反应所需药品及产地 原料名称化学式原料纯度生产地 天然石墨C化学纯先丰纳米 浓硫酸H2SO4分析纯青天化工 高锰酸钾KMnO4分析纯北京化工厂 硝酸钠NaNO3分析纯淄博新川化工 双氧水H2O2分析纯富宇 盐酸HCl分析纯洛阳市化工试剂厂 硼氢化钠NaBH4分析纯鸿佳化工厂 离子水H2O分析纯东方化波 11 2.1.2 实验设备 表 4.1 制备石墨烯的主要设备 仪器名称生产厂家 电热恒温鼓风干燥箱上海新苗医疗器械制造有限公司 超声波清洗仪广东固特超声股份有限公司 磁力加热搅拌器河南爱博特科技发展有限公司 2.1.3 氧化石墨的制备流程图 图 1.1 氧化石墨的制备流程图 石墨+浓硫酸 高锰酸钾，硝酸钠 低温处理 中 温 搅 拌 加 x ml 水高温处理 兑入双氧水 缓 和 反 应 离心，去虑 加 HCL 去酸根离子 去离子水洗涤 涂 抹 烘 干 氧化石墨 12 2.1.4 氧化石墨的制备步骤 氧化石墨烯的制备过程大致分为三步走。第一：首先是低温处理，将装置 中加入 23mL 浓硫酸置于冰浴中，温度低于 3，加入 0.5g 硝酸钾，反映一段时 间，加入 1g 天然石墨，缓慢加入 1g 高锰酸钾，反映 2 个小时，溶液呈墨绿色； 第二中温反映：将装置置于 35水浴中，反映 2 个小时，先加去离子水 40mL , 保持搅拌过程；第三高温反映：在 95 度高温水浴中反映 30 分钟，加 100mL 去 离子水，撤去水浴，之后加 15mL 一定浓度的双氧水，可观察到溶液呈金黄色。 图 2.1 反应得到的金黄色样品 保持搅拌 15 分钟， 加 10%盐酸溶液 40mL。 在离心机低速离心洗涤 5 分钟， 13 重复两次，之后用去离子水离心洗涤 3 次，取出黄绿色在 50温度下涂抹烘干 2.1.5 石墨烯的制备步骤 用得到的氧化石墨称量 0.1g 溶解于 100mL 去离子水中，摇晃均匀后放入超 声波仪器中进行超声震荡溶解，超声过程大概 30 分钟，之后取出溶液放置于三 口瓶中，加入称量好的硼氢化钠 0.1g，利用加热装置在 100条件下加热回流 8 个小时，待回流完成，取下回流装置，把反映好的溶液进行静置过滤操作，使其 自然晾干，得到薄的石墨烯产品。 14 第第 3 3 章章 分析与表征分析与表征 3.1 石墨烯表征与分析 近年来石墨烯的表征工作和进度，在不断地更新创作和研究中，已经越来越 变的成熟和有方向性。石墨烯的研究工作在日益的被提上工作研究日程，其研究 的进度也越来越被加快，为科学的进步默默地给予着贡献。石墨烯的表征工作越 来越重要以及简单化， 定向的测定石墨烯的性能来研究石墨烯的特性及在应用中 的用途。比如利用 X 射线衍射法来检测石墨烯，通过数据来表征石墨烯对光的透 光度的多少的表征。通过测定紫外光照射得到紫外光谱，来表征石墨烯在水溶液 中的光谱特征。红外测定石墨烯，来了解在制备石墨烯过程中，反应制得的石墨 烯的成分状况等。石墨烯的表征方法在随着对其研究的日益频繁，也变得多重多 样，不过石墨烯的特性对于人们对其今后的探索和表征还是意义重大。 3.2 石墨烯的表征及分析 3.2.1XRD 表征 利用氧化还原方法来制备得到的石墨烯过程中，会有很多的副产物生成，比 如在氧化石墨制备的时候氧化不充分，在还原氧化石墨时候，由于温度，反应时 间等因素导致在还原过程中，没有得到充分还原，是的制备过程中，产生不一的 副产物。 从而在通过 X 射线衍射来表征所制得的石墨烯的时候会有不同的峰值产 生，从而使得在表征结果图上看到的图形不是很平滑简单。在下图中，在大概 16角处，有一个很突出的衍射峰，说明是石墨在被氧化过程后得到的物质表现 的峰值。在之后 26角处，有一个较缓且峰面较宽的峰，这也表明了石墨在氧化 后表面有所折叠弯曲，同时层析间多了含氧官能团和水分子之类，使得其厚度展 宽为原来的 3 辈左右；当氧化石墨被还原成石墨烯时，在 23角处地方会出现衍 射峰，这个位置与石墨烯衍射峰的位置较相近，但可以看出其衍射峰很宽。石墨 烯由于粒径较小， 使得在基面上存有的羟基很容易与含氧基团结合从而形成所谓 的絮凝物，这就使得慢慢形成堆积杂乱的石墨烯薄膜层，因此在 XRD 中，峰面 很缓，甚至无峰面。当然图中有明显的峰面，也不是影响结果，因为里边含有的 15 反应杂质问题，使得制备的石墨烯占产物中的量不是很多。 图 3.1 石墨烯的 XRD 表征图 3.2.2 红外光谱表征 下图为石墨烯的红外表征图谱。 如图中显示，出现了 O-H （3282cm-1） ，C=O （1595cm-1），环氧 C-O（1100cm-1）和烷氧 C-O（919cm-1）蛇诺德振动峰，这 么多的含氧集团存在于这上边， 说明石墨在清算强氧化条件下被氧化成了含氧集 团，这些集团的大部分的峰比较强，说明其中含有大量的含氧官能团或者羰基。 也有的峰值较弱， 可能是由于存在与边缘周围， 而形成的所谓的羰基或者是羧基。 石墨烯中的含氧官能团 C=O（1595cm-1）,还有烷基（919cm-1）峰的存在，而在 (1100cm-1)处的 C-O 处的逐渐平缓，在(1468cm-1)处出现了 C=C 所谓的伸缩振动 峰。当然也说明在还原过程中含氧集团被除去很多，碳原子结构逐渐还原，氧化 石墨在还原剂作用下生成了石墨烯。 16 图 4.1 石墨烯的红外表征图 17 结结论论 本实验课题主要通过应用石墨在氧化还原条件下制得石墨烯， 通过 X 射线衍 射表征，和红外表征来对石墨烯进行表征和研究，从而得出评价，结论有如下： （1）确定了制得石墨烯的较好方法和步骤，以及反应的条件注意事项，比 如， 家去离子水时候， 要在中文反应结束时候， 这样可以控制温度对反映的影响。 （2）通过测定 XRD，可看出石墨烯在理想状态下具有一定的透光性。其层 较薄。 （3）石墨烯的的堆积效应越小，则石墨烯的峰值越缓慢。 （4）石墨烯的导电性和薄层强度的特性，在未来发展中将会起到很大作用， 同时也会对我们的生活做出更加重要的影响。 18 致致谢谢 时光荏苒，岁月如梭。我在本科的学习时光将要拉上帷幕。在毕业之际， 首先要感谢我敬爱的导师王芳老师对我的悉心教诲。他严谨的教学态度，真诚和 蔼的待人方式，及精益求精的精神，一丝不苟的工作热情，即使在短短的几个月 的实验教师学习