Einführung in die Herstellung und Charakterisierung der Graphen-Redox-Methode

Unter Verwendung der Hummers-Methode wird in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure, Kaliumpermanganat und anderen Oxidationsmitteln das Graphitpulver unter Bildung von Graphenoxid oxidiert, das Graphitoxid in Wasser gelöst und dann das Graphenoxid durch Hydrazinhydrat zur Herstellung von Graphen reduziert . Das erhaltene Graphenoxid und Graphen wurden durch Infrarotspektroskopie, Ultraviolettspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Graphenoxid und Graphen hergestellt werden und beide ausreichend abgestreift wurden.

Die Physiker Andre Heim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester trennten Graphen erfolgreich von Graphit. Nach dem Gewinn des Nobelpreises für Physik im Jahr 2010 löste die Welt eine Welle der Graphenforschung aus. Graphen ist eine Art neues Kohlenstoffmaterial, bei dem Kohlenstoffatome eng in eine einschichtige zweidimensionale Wabengitterstruktur gepackt sind. Die Dicke des Graphenkristallfilms beträgt nur 0,335 nm, was einem Hunderttausendstel des Haardurchmessers entspricht. Das intensivste Material der Welt ist die Grundeinheit für die Konstruktion anderer Dimensionen kohlenstoffhaltiger Materialien mit ausgezeichneter Kristallinität und elektrochemischen Eigenschaften. Aufgrund seiner hervorragenden Leistung, geringen Kosten und guten Verarbeitbarkeit bietet Graphen hervorragende Anwendungsaussichten in den Bereichen Elektronik, Information, Energie, Materialien und Biomedizin.

Gegenwärtig können die Herstellungsverfahren von Graphen allgemein in zwei Typen unterteilt werden, nämlich das chemische Verfahren zur Herstellung von Graphen und das physikalische Verfahren zur Herstellung von Graphen. Das physikalische Verfahren wird aus Graphit oder einem ähnlichen Material mit hoher Gitterperfektion erhalten, und das erhaltene Graphen hat eine Skala von 80 nm oder mehr. Physikalische Verfahren umfassen mechanisches Peeling, Orientierungsepitaxie, erhitztes SiC, Explosion usw.; und chemische Verfahren werden durch Synthese kleiner Moleküle oder Lösungstrennung hergestellt, um Graphenskalen unter 10 nm zu erhalten. Chemische Verfahren umfassen Graphit-Interkalation, Wärmeausdehnungsstrippen, elektrochemische, chemische Gasphasenabscheidung, Kugelmahlen, Graphitoxidreduktion und dergleichen.

Das Graphitoxid-Reduktionsverfahren ist derzeit das beliebteste Verfahren zur Herstellung von Graphen. Der Graphit reagiert unter bestimmten Bedingungen in konzentrierter Schwefelsäure mit einem starken Oxidationsmittel und wird oxidiert, um eine Gruppe wie eine Carbonylgruppe, eine Hydroxylgruppe oder eine Epoxygruppe zwischen den Schichten zu tragen. Der Graphitschichtabstand wird erhöht, um Graphitoxid zu werden. Nach entsprechender Beschallung wird das Graphitoxid leicht in einer einheitlichen ein- oder zweischichtigen Graphenoxidlösung in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel dispergiert, und schließlich wird die verbleibende sauerstoffhaltige funktionelle Gruppe durch Hydrazinhydratreduktion entfernt. Obwohl Graphit, der durch ein starkes Oxidationsmittel vollständig oxidiert wurde, möglicherweise nicht vollständig reduziert wird, was dazu führt, dass einige physikalische und chemische Eigenschaften verringert werden, ist das Verfahren einfach und kostengünstig, und es kann eine große Menge Graphen hergestellt werden. Graphen wird durch ein Graphitoxid-Reduktionsverfahren hergestellt.

1, der experimentelle Teil

1.1, Reagenzien und Instrumente

Graphitpulver (200-Mesh-Sieb, Shanghai Reagent Factory), konzentrierte Schwefelsäure (95% ~ 98%), Kaliumpermanganat, Natriumnitrat, Wasserstoffperoxid (30%), Salzsäure, Hydrazinhydrat (80%) usw. sind alle analytisch rein Das Testwasser ist ein zweites unterkochendes destilliertes Wasser, BrukerTensor27 Infrarotspektrometer, UV-2550PCUV-sichtbares Spektrometer Ultraviolett-Spektrometer, PhilipsTECNAI-12 Transmissionselektronenmikroskop.

1.2, Herstellung von Graphenoxid

Die Graphenoxidation wurde aus Graphit nach der Hummers-Methode hergestellt.

Der Graphit wird zuerst chemisch oxidiert, um eine Carboxylgruppe mit einer Carboxylgruppe und einer Hydroxylgruppe am Rand zu erhalten, und eine sauerstoffhaltige Gruppe wie eine Epoxygruppe und eine Carbonylgruppe wird zwischen den Schichten interkaliert. Dieser Prozess kann den Abstand zwischen den Graphitschichten von 0,34 nm auf etwa 0,78 nm vergrößern und sich dann (zum Beispiel) durch äußere Kraft ablösen. Ultraschall-Strippen) ergibt ein Graphenoxid mit einer einzelnen Atomschichtdicke. Die spezifischen experimentellen Schritte sind wie folgt:

70 ml konzentrierte Schwefelsäure in ein 250 ml Becherglas geben, in das Eiswasserbad geben, unter magnetischem Rühren eine geeignete Mischung aus Graphitpulver und 1 g Natriumnitrat zugeben und dann 6 g Kaliumpermanganat separat zugeben, Reaktionstemperatur ≤ 20 ° C kontrollieren, Reaktion 1,5h. Dann wurde die Temperatur des Wasserbades auf 35 ° C geregelt, um die Reaktion 40 Minuten lang zu rühren, und dann langsam 90 ml entionisiertes Wasser zugegeben, die Reaktionstemperatur wurde auf 90 bis 98 ° C geregelt, die Reaktion wurde 30 Minuten gerührt min, dann wurden 7 ml 30% iges H 2 O 2 zugegeben, um das restliche Oxidationsmittel zu reduzieren, und die Reaktion wurde 10 min lang durchgeführt und dann zugegeben. 55 ml entionisiertes Wasser wurden 5 Minuten lang umgesetzt. Es wurde heiß filtriert und mit einer verdünnten Salzsäurelösung und entionisiertem Wasser in einem Volumenverhältnis von 1:10 gewaschen, bis im Filtrat kein Sulfat mehr nachgewiesen wurde. Das Produkt wurde 2 bis 3 Tage in einem Vakuumofen bei 60 ° C gründlich getrocknet und zur späteren Verwendung gelagert.

1.3. Herstellung von reduziertem Graphen

150 mg GO wurden gewogen und 150 ml Wasser zugegeben. Nach 1-stündiger Ultraschallbehandlung wurde es in einen 250-ml-Dreihalskolben gegeben, 0,3 g KOH wurden zugegeben und 2 ml Hydrazinhydrat wurden zugegeben. Nach 24-stündigem Rückfluss bei 98ºC wurde die Reaktionslösung abgekühlt, zentrifugiert (10000 U / min, 20 min) und gewaschen, dreimal hintereinander zentrifugiert und einmal in Ethanol zentrifugiert. Das feste Produkt wurde unter Vakuum bei 60 ° C getrocknet.

2, Ergebnisse und Diskussion

2.1, Infrarotcharakterisierung

Das Infrarotspektrum von Graphenoxid und Graphen ist in Abb. 1 dargestellt.

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Abb.1 Infrarotspektrum von Graphenoxid (GO) und Graphen (GN)

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass nach der Oxidation von Graphit eine Reihe von Infrarotabsorptionspeaks auftritt und ein breiter und starker Absorptionspeak im Bereich von 3000 bis 3700 cm & supmin; ¹ auftritt, der dem Streckschwingungspeak von zugeschrieben wird -OH; Die Absorptionspeaks, die bei 1723, 1382, 1221 und 1055 cm & supmin; ¹ auftreten, werden jeweils dem -C = O-Streckschwingungspeak, dem OH-Verformungsschwingungspeak und den C-OH- und CO-Streckschwingungspeaks zugeordnet. Diese Ergebnisse zeigen, dass die GO-Oberfläche bereits verschiedene Arten von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen enthält. Wenn GO auf GN reduziert wird, verschwindet die charakteristische Absorption von -C = O und der Verformungsschwingungspeak von OH bei 1382 und der Streckschwingungspeak von 1055 werden sehr schwach. Dieses Ergebnis zeigt, dass die meisten sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Graphenoxids entfernt wurden und Graphen erfolgreich hergestellt wurde.

2.2, UV-Charakterisierung

Das hergestellte GO und GN wurden durch Ultraviolett-Spektroskopie bestätigt (Fig. 2).

2 Ultraviolette Absorptionskurven von Graphenoxid (GO) und Graphen GN

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der charakteristische Absorptionspeak von Graphenoxid GO bei 232 nm und 301 nm auftritt, und wenn GO mit Hydrazinhydrat zu GN reduziert wird, weist GN keinen UV-Absorptionspeak auf, was darauf hinweist, dass GO gewesen ist reduziert auf GN.

2.3, TEM-Charakterisierung

Die Probe wurde charakterisiert, indem Graphit, Graphenoxid und Graphen in einem Lösungsmittel gelöst, auf die Oberfläche des Kupfernetzes getropft, durch Infrarotlicht getrocknet und dann auf einem Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert wurden. 3 ist ein TEM-Bild von Graphit, Graphenoxid bzw. Graphen.

Abbildung 3 TEM-Bild von Graphit (A), Graphenoxid (B), Graphen (C)

Die Topographie von Graphit, Graphenoxid und Graphen ist aus Fig. 3 ersichtlich. Graphit ist eine große Blockstruktur, und Graphenoxid und Graphen sind getrennte einschichtige Schichtstrukturen. Doppelschichtiges, einschichtiges Graphenoxid und Graphen können durch Elektronenmikroskopie beobachtet werden, was auf Graphenoxid und Graphit hinweist. Das Olefin hat sich nach wiederholtem Ultraschall gut abgelöst.

3. Fazit

Graphen wird nach der Hummers-Methode hergestellt, und Graphen wird durch Reduzieren des Graphenoxids mit Hydrazinhydrat erhalten. Durch verschiedene Charakterisierungsmethoden wurde nachgewiesen, dass die Oberfläche von GO eine große Anzahl sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen enthält, was eine theoretische Grundlage für die Modifizierung von Nanokompositen zur Herstellung von Graphen darstellt.

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