氧化石墨烯的制备讲义
氧化石墨烯的制备及电性能研究
氧化石墨烯的制备及电性能研究1. 概述氧化石墨烯是一种有机功能材料，具有优良的电性能和化学稳定性，可用于超级电容器、锂离子电池等领域。
本文将介绍氧化石墨烯的制备方法和电性能研究进展。
2. 氧化石墨烯的制备氧化石墨烯的制备方法有化学氧化法、热氧化法等。
其中化学氧化法是最常用的方法。
化学氧化法的原理是通过强氧化剂来氧化石墨烯表面的碳原子，形成氧化石墨烯。
一般选用的氧化剂有硝酸、硫酸、过氧化氢等。
以硝酸为例，其反应式为：C + 6HNO3 → C(NO2)2 + 2CO2 + 4H2O + 2NO2C(NO2)2 + 3HNO3 → 2CO2 + 4NO2 + 3H2O制备过程中需要先将石墨烯与氧化剂混合，然后在温度和时间的控制下进行反应。
反应过程中还需加入还原剂如羟胺等，以消除氧化剂的副反应。
3. 氧化石墨烯的电性能研究氧化石墨烯的电性能主要包括电导率、电容等，其性质由制备方法和结构决定。
3.1 电导率氧化石墨烯的电导率较低，但可以通过还原反应得到还原石墨烯，使其电导率增强。
还原反应一般采用高温还原法、化学还原法等。
以化学还原法为例，需要引入还原剂如氢气、氢化钠等，反应式为：nCO + nH2 → CnH2n + nH2O还原后的石墨烯电导率可达到金属的水平，可作为导电性能优良的电极材料。
3.2 电容氧化石墨烯的电容主要包括电化学电容和双层电容。
电化学电容指的是在电解液中利用氧化石墨烯表面的官能团和电离液体之间的相互作用来存储电荷的现象，该电容的特点是容量大、充放电速度快、循环寿命长。
双层电容指的是在氧化石墨烯表面形成一个双层电位差，使其具有储能的能力，该电容的特点是充放电速率快、能量密度高。
4. 应用前景氧化石墨烯具有优良的电性能和化学稳定性，可用于多种领域。
在电池领域，氧化石墨烯的导电性能可提高锂离子电池的性能；在超级电容器领域，氧化石墨烯的电容可使超级电容器具有高能量密度；在传感器领域，氧化石墨烯能够通过改变电性能来感知环境变化；在生物医学领域，氧化石墨烯可用作药物载体或医用材料。
氧化石墨烯的制备及应用
氧化石墨烯的制备及应用石墨烯是一种纳米级厚度的碳材料，具有优异的电学、热学、力学和光学性质。
它的发现被视为一项科学界的突破，引起了广泛关注并被预示着将有各种各样的应用。
然而，石墨烯在一些场合下过于脆弱，需要一些具有能力改善其力学稳定性的方法。
在这个背景下，氧化石墨烯的制备方法就非常受人关注了。
一、氧化石墨烯的制备氧化石墨烯的制备主要有两种方法：石墨氧化和还原剂还原法。
1. 石墨氧化法石墨氧化法是制备氧化石墨烯的一种常见方法。
其原理是通过物理和化学手段使石墨表面产生氧化。
该方法首先将石墨粉末与浓硫酸混合，然后再加入硝酸使反应加剧，最后用稀碱溶液中和，从而得到氧化石墨烯。
石墨氧化法制备氧化石墨烯传统方法虽然简便易行且可以得到较高纯度的氧化石墨烯，但同时制备过程中会产生较多的副产物，如硫酸、硝酸等危险化学物质，制备过程中需耗费大量的化学试剂与剩余废物的处置工作也较为繁琐。
2. 还原剂还原法还原剂还原法是一种新的制备氧化石墨烯方法，主要是利用还原剂对氧化石墨烯进行还原。
还原过程中，还原剂可以充分还原石墨烯中的氧元素，从而提高氧化石墨烯的还原度和结晶度。
与氧化石墨烯比较，还原的石墨烯有比较好的物理性质和力学性质，不易破碎。
二、氧化石墨烯的应用氧化石墨烯的普及和应用，已迅速发展成为石墨烯领域的一个热点。
由于其独特的结构和性质，可以应用于电子器件、传感器、能量材料、生物医药等方面。
1. 传感器应用氧化石墨烯具有很高的电导率和比表面积，这使其非常适合用作电化学传感器的工作电极材料。
利用氧化石墨烯的高电导率，可以大大提高传感器的灵敏度和响应速度。
因此，氧化石墨烯广泛应用于环境监测、食品检测、生物传感器等领域。
2. 能量材料应用氧化石墨烯对于锂离子电池，太阳能电池、超级电容器等能量材料有着广泛应用。
其高电导率和良好的电化学性质，可以提高这些材料的能量密度和耐久性，增强其使用效果。
例如，通过改变氧化石墨烯层的数量，可以调整太阳能电池的吸收光谱范围和效率。
氧化石墨烯的制备方法总结
氧化石墨烯的制备方法：方法一：由天然鳞片石墨反应生成氧化石墨，大致分为 3 个阶段，低温反应：在冰水浴中放入大烧杯，加入 110mL 浓 H2SO4，在磁力搅拌器上搅拌，放入温度计让其温度降至4℃左右。
加入 -100目鳞片状石墨 5g，再加入 2.5g NaNO3，然后缓慢加入 15g KMnO4，加完后记时，在磁力搅拌器上搅拌反应 90min，溶液呈紫绿色。
中温反应：将冰水浴换成温水浴，在磁力搅拌器搅拌下将烧杯里的温度控制在32~40℃，让其反应 30 min，溶液呈紫绿色。
高温反应：中温反应结束之后，缓慢加入 220mL 去离子水，加热保持温度70~100℃左右，缓慢加入一定双氧水 (5 %)进行高温反应，此时反应液变成金黄色。
反应后的溶液在离心机中多次离心洗涤，直至 BaCl2检测无白色沉淀生成，说明没有 SO42-的存在，样品在40~50℃温度下烘干。
H2SO4、NaNO3、KMnO4一起加入到低温反应的优点是反应温度容易控制且与 KMnO4反应时间足够长。
如果在中温过程中加入 KMnO4，一开始温度会急剧上升，很难控制反应的温度在32~40℃。
技术路线图见图 1。
方法二：Hummers 方法采用Hummers 方法[5]制备氧化石墨。
具体的工艺流程在冰水浴中装配好250 mL 的反应瓶加入适量的浓硫酸搅拌下加入2 g 石墨粉和1 g 硝酸钠的固体混合物再分次加入6 g 高锰酸钾控制反应温度不超过20℃搅拌反应一段时间然后升温到35℃左右继续搅拌30 min再缓慢加入一定量的去离子水续拌20 min 后并加入适量双氧水还原残留的氧化剂使溶液变为亮黄色。
趁热过滤并用5%HCl 溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止。
最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥保存备用。
方法三：修正的Hummers方法采用修正的Hummers方法合成氧化石墨，如图1中(1)过程。
即在冰水浴中装配好250 mL的反应瓶，加入适量的浓硫酸，磁力搅拌下加入2 g 石墨粉和1 g硝酸钠的固体混合物，再缓慢加入6 g高锰酸钾，控制反应温度不超过10℃，在冰浴条件下搅拌2 h后取出，在室温下搅拌反应5 d。
氧化石墨烯(GO)聚苯乙烯(PS)的制备与表征
氧化石墨烯（GO）/聚苯乙烯（PS）的制备与表征2.1 引言氧化石墨是石墨经过深度氧化后得到的一种层间距远大于石墨的层状化合物。
氧化石墨具有典型的准二维的片层结构,其层间距为6-11A o之间,层面间含有羟基、羰基等，片层边缘处有羧基。
经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中发生剥离分散成均匀的单层氧化石墨烯溶液。
2.2实验操作2.2.1 所用试剂本实验所用到的主要试剂与药品均为分析纯。
水溶液均为去离子水。
测试所需仪器：X射线衍射仪（XRD, D/Max-2400X, Rigaku Co.,Japan, Cu K αradiation(λ=1.54056Å)）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM, Hitachi S-4800)、透射电子显微镜（TEM, HitachiH-600）、Raman衍射仪（Horiba Jobin Yvon LABRAM-HR800型，λ=325nm）、电池测试系统（武汉蓝电的多通道电池测试系统、上海辰华CHI660E）2.2.2氧化石墨烯（GO）的制备与表征将0.75g石墨、90ml浓硫酸、10ml浓磷酸与4.5g高锰酸钾冷水浴搅拌混合，后在50°水浴中搅拌24h，冷却至室温，小心注入200ml冷水，再加入5ml 30%的过氧化氢，观察溶液由砖红色变为褐色，最终变成亮黄色。
我们所制得的GO溶液浓度为10mg/ml。
样品的相组成与相纯度由XRD进行了表征。
由图像（2.1）可以得出，GO的衍射峰位在2θ=11.565°。
根据布拉格公式2dsinθ=nλ可得氧化石墨烯片层间距为0.7646nm，相比于石墨片层间距（0.34nm）有增加，表明层间引入了基团。
图2.2为GO的Raman图像。
纯GO的Raman图谱，有两个特征峰，分别是位于1355cm-1的D峰和位于1606cm-1的G峰D峰对应于六方晶格里的缺陷和无序震动，是氧化石墨烯的缺陷无序的度量。
氧化石墨烯制备流程及步骤
氧化石墨烯制备的基本流程如下：
材料准备：准备石墨粉末。
氧化石墨烯的制备通常采用Hummers法（Hummers Method）或石墨氧化还原法（Graphite Oxide Reduction Method）。
Hummers法：
在冷却的硫酸中加入冷冻浓硝酸。
将石墨粉末加入到硫酸和硝酸的混合物中，搅拌。
慢慢加入冷却的浓硫酸和浓硝酸的混合物。
持续搅拌，反应进行一段时间。
倒入冷水，使反应停止并产生沉淀。
沉淀用稀硫酸和水洗涤，去除杂质。
沉淀用稀硫酸和水反复洗涤，直至洗涤水的pH值为中性。
将洗涤后的沉淀在真空干燥器中烘干，得到氧化石墨烯。
石墨氧化还原法：
将石墨粉末加入到硝酸等化学试剂中，搅拌。
加热反应，使石墨与氧化剂发生反应生成石墨氧化物。
过滤和洗涤产生的石墨氧化物。
将石墨氧化物在高温下还原，经过退火处理，得到氧化石墨烯。
表征和应用：对制备的氧化石墨烯进行表征，如使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察其形貌和结构，并研究其在机械、光学、电学等领域的应用。
需要注意的是，氧化石墨烯的制备过程可能会有细微的变化，具体步骤和实验条件会因制备方法和实验室的要求而有所不同。
hummer法制备石墨烯.ppt
要配的溶液：
加入80mL的3%的双氧水（此时溶液应该接近棕色，说明
石墨被氧化）。4.将Fra bibliotek述溶液在7200转/分钟下离心30分钟。
5.用二次水清洗残渣直到上层悬浮液的PH约为7。
6.把上述清洗得到的粉末再次分散到水中并且超声30分钟（超
声剥离）。
7.过滤完黑色残留物后得到一种均一的悬浮液（此悬浮液为氧 化石墨烯在水中的分散液）。 8 将上述得到的悬浮液在10000转/分钟下离心，得到黑色的固 体（氧化石墨烯）。
Hummer法制备氧化石墨烯的操作步骤
1. 将2g石墨粉末放入250mL的烧杯中，加入1g NaNO3和46mL
H2SO4后在冰水浴中充分搅拌。
2. 加入6g高锰酸钾于上述溶液中，保持整个体系的温度为 20℃搅拌5分钟。继而去掉冰水浴加热到 35 ℃，搅拌 30分钟。 3. 加入92mL的二次水，在温度为98 ℃下搅拌15分钟，继续
石墨烯氧化物的制备和性质研究
石墨烯氧化物的制备和性质研究石墨烯氧化物，是石墨烯在氧化反应中形成的一种化合物，它拥有石墨烯的许多优秀的物理、化学性质，并且更具有可控性，能够满足许多工业化要求。
下面，将就石墨烯氧化物的制备和性质进行探讨。
一、石墨烯氧化物的制备石墨烯氧化物的制备方法主要分为两类，一类是化学还原法，另一类是物理还原法。
在这两类方法中，化学还原法被认为是制备石墨烯氧化物最有效的方法之一。
1. 化学还原法化学还原法的主要原理是利用化学物质中的还原剂对石墨烯进行还原。
具体制备过程如下：首先，在实验室中将石墨烯和氧化剂（如硝酸等）混合悬浮在水中。
然后，在水中加入还原剂，如亚硫酸钠等，搅拌一段时间。
这样，石墨烯表面的氧化物会被还原成还原物质，并形成氧化物晶体。
接下来，将混合物过滤并洗净以去除杂质，然后将样品在低温下烘干，就可以得到石墨烯氧化物样品。
2. 物理还原法物理还原法则是通过加热、化学气相沉积等方法，在高温高压条件下将导电性较低的氧化石墨烯转化为导电性较好的石墨烯。
这种方法的优点是制备过程简单，没有污染物，成本低，生产效率高，但同样也存在一些问题，如石墨烯的颗粒分布较为不均匀，制备条件需要控制，并需要更进一步的物理过程。
二、石墨烯氧化物的性质石墨烯氧化物是一种高效的材料，不仅具有石墨烯的优秀性质，还具有石墨烯所不具备的一些新型性质。
1. 电学性质石墨烯氧化物在电学性质上的表现具有一定的特点，它导电性较弱，但在接触电极时，接触面扩大，导电性提高，可以作为新型低成本透明导电膜材料。
2. 光学性质光学性质也是石墨烯氧化物具有的优异性质之一。
可以通过环境调控，来调节石墨烯氧化物的颜色，亦可以增强其应用。
3. 机械性质石墨烯氧化物的机械性能较好，便于弯曲后再形成纳米颗粒，这种弯曲形态把石墨烯氧化物纳米颗粒放置在纳米排布模板上后，可制成各种更复杂的形状。
4. 热学性质石墨烯氧化物的热学性质是另一种引人注目的物理性质。
与传统材料相比，石墨烯氧化物材料表现出高热导电性，温度变化范围大。
石墨烯氧化物的制备及应用
石墨烯氧化物的制备及应用石墨烯氧化物作为一种新型的碳基材料，在近年来备受关注。
相较于石墨烯，石墨烯氧化物的制备过程较为简单，也更容易控制其结构、物理和化学性质。
本文将介绍石墨烯氧化物的制备及其一些应用。
一、石墨烯氧化物的制备方法石墨烯氧化物的制备方法主要有两种，一种是Hummers法，另一种是Brodie 法。
Hummers法是一种较为常用的石墨烯氧化物制备方法。
其基本步骤为：先将天然石墨磨成细粉，然后将粉末加入硫酸、硝酸和高锰酸钾的混合液中，进行氧化反应。
最后用稀酸洗去多余的氧化剂，得到石墨烯氧化物。
此方法具有简单、工艺成熟等优点，但存在高污染、氧化程度不容易控制等问题。
Brodie法是一种低污染的石墨烯氧化物制备方法。
该方法的主要步骤是：将天然石墨与硝酸混合，然后加入浓硫酸进行氧化反应，再用稀硝酸洗涤掉多余的氧化剂，最后得到石墨烯氧化物。
该方法可以控制氧化度，但需要高纯度的试剂和严格的反应条件。
二、石墨烯氧化物的应用由于石墨烯氧化物具有较好的可溶性和生物相容性，因此其在生物医学领域的应用越来越受到关注。
目前已有很多研究表明，石墨烯氧化物可以用于制备生物传感器、药物释放、细胞成像等方面。
1. 生物传感器石墨烯氧化物作为一种高灵敏度的传感器材料，可以用于检测葡萄糖、蛋白质和DNA等生物分子。
石墨烯氧化物具有较大的比表面积和高的电导率，可以提高传感器的敏感度及响应速度。
同时，石墨烯氧化物具有良好的生物相容性，对于生物样品的检测不会产生光学或电学干扰。
2. 药物释放石墨烯氧化物可以用于药物的负载和释放。
石墨烯氧化物具有高的表面积和可调的化学性质，可以将药物通过静电相互作用或共价键结合到其表面，并通过pH值和温度等条件加以控制释放速率，以实现药物的定向传递。
3. 细胞成像石墨烯氧化物可以加入荧光分子或其它成像剂，用于生物成像。
石墨烯氧化物作为纳米尺度的成像剂，可以通过转移和结构修饰等方式调整其磁性、光学和荧光等特性，用于细胞、组织及器官的成像。
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实验十、氧化石墨烯得制备实验
一、 实验目得
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
氧化石墨烯就是石墨烯得氧化物,其颜色为棕黄色,市面上常见得产品有粉末状、片状
以及溶液状得。氧化石墨烯薄片就是石墨粉末经化学氧化及剥离后得产物,氧化石墨烯就
是单一得原子层,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与
材料科学得典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态得软性材料,具有聚合物、胶体、
薄膜,以及两性分子得特性。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
优越得分散性,但就是,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得性质分布。
经过氧化处理后,氧化石墨仍保持石墨得层状结构,但在每一层得石墨烯单片上引入
了许多氧基功能团。这些氧基功能团得引入使得单一得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得地位,许多科学家试图对氧化石墨烯得结构进行详细
与准确得描述,以便有利于石墨烯材料得进一步研究,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(不同得制备方法,实验条件得
差异以及不同得石墨来源对氧化石墨烯得结构都有一定得影响),氧化石墨烯得精确结构
还无法得到确定。大家普遍接受得结构模型就是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基与
环氧基,而在单片得边缘则引入了羧基与羰基。
图1 氧化石墨烯得结构
2、氧化石墨烯得制备
氧化石墨烯得制备一般有三种方法:brodie法、Staudenmaier法、hummers法。这三
种方法得共同点都就是利用石墨在酸性质子与氧化剂得作用下氧化而成得,但就是不同
得方法各有优点。Brodie 等人于1859年首次用高氯酸与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、发烟硝酸与高氯酸得混合酸为插层
合成了氧化石墨烯,Hummers制备氧化石墨烯得方法最具温与性,利用高锰酸钾,98%得硫
酸、硝酸钠等为插层成功得合成出了氧化石墨烯。后续研究者一般采用改进得Hummers
法来制备氧化石墨烯,即通过改变低温、中温、高温得条件,调节高锰酸钾、硝酸钠得用
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、氧化石墨烯得制备
采用Hummers 法制备氧化石墨烯得工艺流程如下:将250mL烧杯放入冰水混合物中,
向烧杯中加入22mL得浓硫酸,并在烧杯中放入磁子,打开搅拌装置,控制烧杯中得温度为
0℃左右,加入0、5g膨胀石墨与0、5g硝酸钠,搅拌8min后,在搅拌得得同时缓慢加入3g
得高锰酸钾,继续搅拌,反应30min,此时溶液得颜色将呈现紫绿色,将温度升到45℃,反应
60min后,慢慢加入45mL得蒸馏水,升温至95℃,不断搅拌水解1h,此时反应得颜色呈亮黄
色,搅拌中缓慢加入8mL得H2O2 (30%)处理,趁热过滤,滤饼用5%得盐酸洗涤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,即可得到干燥得氧化石墨烯。
2、氧化石墨烯得表征
取上述氧化石墨烯均匀分散液,做紫外光谱实验,观察氧化石墨烯得紫外光谱图。
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、做氧化石墨烯得紫外光谱实验时,氧化石墨烯得浓度要低,最大吸收峰得位置约在
230nm处。
3、实验过程中得“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得关系。
六、实验习题
1、氧化石墨烯其她制备方法中使用得氧化剂有哪些？
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
好得我来算一下
严正权 16:39:23
大树 16:41:44
药品:膨胀石墨(化学纯)200g;浓硫酸(H2SO4,98%)8瓶;高锰酸
钾(KMnO4,分析纯)3瓶 ;硝酸钠(NaNO3, 分析纯)2瓶;双氧
水(H2O2,30%)5瓶;盐酸(HCl,36～38%)2瓶;硫酸钡1瓶。