氧化石墨烯的制备讲义

实验十、氧化石墨烯的制备实验

一、实验目的

1、掌握Hummers法制备氧化石墨烯。

2、了解氧化石墨烯结构与性能表征。

二、实验原理

1、氧化石墨烯

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。

经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位，许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述，以便有利于石墨烯材料的进一步研究，虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱，核磁共振等手段对其结构进行分析，但由于种种原因(不同的制备方法，实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响)，氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。

图1 氧化石墨烯的结构

2、氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯的制备一般有三种方法：brodie法、Staudenmaier法、hummers法。这三种方法的共同点都是利用石墨在酸性质子和氧化剂的作用下氧化而成的，但是不同的方法各有优点。Brodie 等人于1859年首次用高氯酸和发烟硝酸作为氧化剂插层制备出

了氧化石墨烯，Staudenmaier在1898年用浓硫酸、发烟硝酸和高氯酸的混合酸为插层合成了氧化石墨烯，Hummers制备氧化石墨烯的方法最具温和性，利用高锰酸钾，98%的硫酸、硝酸钠等为插层成功的合成出了氧化石墨烯。后续研究者一般采用改进的Hummers法来制备氧化石墨烯，即通过改变低温、中温、高温的条件，调节高锰酸钾、硝酸钠的用量来合成。

图2 化学法制备石墨烯

三、仪器与试剂

仪器：烧杯、量筒、玻璃棒、HJ-3恒温磁力搅拌器；DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器；9003B-2鼓风干燥箱；H-1650台式高速离心机；FA1104N分析天平；KQ-400KDE型高功率数控超声波清洗器；WS70-1型红外线快速干燥器；730型紫外-可见分光光度仪。

药品：膨胀石墨（化学纯）；浓硫酸（H2SO4，98%）；高锰酸钾（KMnO4，分析纯）；

硝酸钠（NaNO3,分析纯）；双氧水（H2O2,30%）；盐酸（HCl，36～38%）。

四、实验步骤

1、氧化石墨烯的制备

采用Hummers 法制备氧化石墨烯的工艺流程如下：将250mL烧杯放入冰水混合物中，向烧杯中加入22mL的浓硫酸，并在烧杯中放入磁子，打开搅拌装置，控制烧杯中的温度为0℃左右，加入0.5g膨胀石墨和0.5g硝酸钠，搅拌8min后，在搅拌的的同时缓慢加入3g的高锰酸钾，继续搅拌，反应30min，此时溶液的颜色将呈现紫绿色，将温度升到45℃，反应60min后，慢慢加入45mL的蒸馏水，升温至95℃，不断搅拌水解1h，此时反应的颜色呈亮黄色，搅拌中缓慢加入8mL的H2O2 (30%)处理，趁热过滤，滤饼用5%的盐酸洗涤3次，再用蒸馏水洗涤若干次，直至pH接近中性即可。

将产品分散到水中，充分超声30min，得到氧化石墨烯均匀分散液。

将产品60℃真空干燥48小时，即可得到干燥的氧化石墨烯。

2、氧化石墨烯的表征

取上述氧化石墨烯均匀分散液，做紫外光谱实验，观察氧化石墨烯的紫外光谱图。

五、注意事项

1、在制备氧化石墨烯过程加入高锰酸钾时，一定要慢慢加入。

2、做氧化石墨烯的紫外光谱实验时，氧化石墨烯的浓度要低，最大吸收峰的位置约在230nm处。

3、实验过程中的“亮黄色”影响因素有许多，有时颜色可能有些出入。

六、实验记录与处理

记录不同氧化石墨烯浓度与吸收强度的关系。

六、实验习题

1、氧化石墨烯其他制备方法中使用的氧化剂有哪些？

2、实验中加入双氧水有什么作用？

大树 16:38:53

仪器：烧瓶（100ml）50只、量筒、玻璃棒；集热式磁力加热搅拌器50台；鼓风干燥箱；高速离心机；分析天平；数控超声波清洗器；

大树 16:39:17

好的我来算一下严正权 16:39:23