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氧化还原法制备石墨烯工艺详解

2016-10-25 10:41来源:烯碳资讯关键词:石墨烯石墨烯制备氧化石墨烯收藏点赞

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1氧化

氧化石墨的方法主要有三种:第一种是Hummers法,第二种是Brodietz法[2],第三种是Staudenmaier法,他们首先均是用无机强质子酸例如浓H2SO4、发烟HNO3或者它们的混合物处理原始的石墨粉原料,使得强酸小分子进入到石墨层间,而后用强氧化剂(如高锰酸钾、KClO4等)氧化。

三种方法相比,Staudemaier法得到的氧化石墨的层结构受到严重破坏,原因是采用浓H2SO4和发烟HNO3混合酸处理了石墨,Hummers法具有很高的安全性,且可得到带有褶皱的氧化石墨的片层结构,并含有丰富的含氧官能团,在水溶液中分散性很好,对于此方法,许多研究人员也做了很大的改善。目前为止,常用来制备氧化石墨烯的一种方法就是采用改进的Hummers法。

这里以其中的一种改进的Hummers法为例,来说明氧化石墨在制备过程中各项参数对产物的影响。


氧化石墨制备工艺流程

(1)提高氧化剂/石墨的质量比,或在高氧化剂/石墨质量比条件下,延长反应时间或提高反应温度均有利于GO氧化程度的增加。

(2)GO表面的含氧基团以环氧基为主,其浓度随氧化程度的改变变化最显著。

反应温度显著的影响反应速率。低温(例如0°C)导致较低的反应速率,延长了 GO的制备周期。温度升高到一定温度(例如常用的35 °C)后,反应速率显著提高,缩短了 GO的制备时间。温度进一步升高到50°C后,在短的时间内(例如5min)石墨即可被完全氧化成GO,但是高温可能会引起安全问题。

(3)调节氧化剂/石墨的质量比,可有效的控制GO的氧化程度和氧化速度,可以调节GO表面的含氧基团的种类。

(4)高氧化剂/石墨质量比导致了石墨表面含氧基团的快速形成和深度氧化。因此,GO的表面基团的种类不随温度和时间变化,但浓度分布不同。随着反应时间的增加,环氧基团的浓度增加最为显著。当氧化剂的用量低于临界值时,GO表面以环氧基为主,还有少量的羟基和羧基,而增加氧化剂用量后,羧基开始形成并逐渐达到饱和。

GO的制备工艺的研究中,研究发现在氧化剂与石墨的质量比达到一个临界值时,无论是降低温度,或是缩短氧化时间,制备的氧化石墨表面均存在相同的表面基团,即羟基、环氧基、羰基和羧基。


氧化过程中石墨的断裂机理

原标题:氧化还原法制备石墨烯工艺详解
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