hummers法如何製備石墨烯

　　主要原材料：石墨粉（粒度小於30μm的粒子。含量大於95％，碳含量99.85%）， 濃硫酸（95%—98%），高錳酸鉀，硝酸鈉，雙氧水30%，鹽酸，氯化鋇，水合肼80% 氧化石墨（GO）的製備

　　採用Hummers 方法製備氧化石墨

　　具體的工藝流程：在冰水浴中裝配好250 mL 的反應瓶，加入適量的濃硫酸，攪拌下加入2 g 石墨粉和1 g 硝酸鈉的固體混合物，再分次加入6 g 高錳酸鉀，控制反應溫度不超過20℃，攪拌反應一段時間，然後升溫到35℃左右，繼續攪拌30 min，再緩慢加入一定量的去離子水，續拌20 min 後，並加入適量雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變為亮黃色。趁熱過濾，並用5%HCl 溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。最後將濾餅置於60℃的真空乾燥箱中充分乾燥，保存備用。

　　石墨烯的製備

　　將100 mg 氧化石墨分散於100 g 水溶液中，得到棕黃色的懸浮液，再在超聲條件下分散1 h，得到穩定的分散液。然後移入四口燒瓶中，升溫至80℃，滴加2 mL 的水合肼，在此條件下反應24 h 後過濾，將得到的產物依次用甲醇和水衝洗多次，再在60℃的真空乾燥箱中充分乾燥，保存備用。

　　具體實驗步驟：

　　一：氧化石墨烯的製備

　　1：一隻大燒杯250Ml，裡面放冰塊，提供冰水浴

　　2：用試管量取23mlH2SO4，再用電子天平稱取1g石墨，0.5g硝酸鈉，3g高錳酸鉀

　　3：用鑷子企業一直轉自放到錐形瓶，之後把濃硫酸輕輕倒入錐形瓶，然後放到電磁攪拌器中。

　　4：將石墨和硝酸鈉混合加入錐形瓶，攪拌反應三分鐘，然後將高錳酸鉀加入錐形瓶

　　5：控制溫度小於20℃，攪拌反應2個小時

　　6：升溫至35℃，繼續攪拌30分鐘

　　7：將水和蒸餾水配置46mL的去離子水（14攝氏度）

　　8反應到30分鐘後，將去離子水加入錐形瓶，然後將溫度升高至98℃，持續加熱20min，溶液呈棕黃色，冒出紅煙

　　9：取出5g雙氧水（30%），加入錐形瓶

　　10：取下錐形瓶趁熱過濾，並用HCL和去離子水洗滌，待剩餘固體在濾紙穩定後，用鑷子把濾紙取出，再用一塊乾淨的濾紙襯在底部，一塊放到60℃的乾燥箱中充分乾燥。

　　石墨烯的製備

　　1：乾燥後的氧化石墨烯，取出100mg分散於100g水溶液中，得到棕黃色懸浮液

　　2：把懸浮液放到超聲波洗滌箱中，在超聲波條件分散1小時

　　3：取出溶液放到四口燒杯中，升溫到80℃，再滴加20ml水合肼，反應24小時過濾

　　4：得到的產物以此用甲醇和水衝洗

　　5：得到的固體在60℃乾燥箱中充分乾燥，保存備用

　　實驗原材料的作用

　　濃硫酸：強質子酸，進入石墨層間。高錳酸鉀：強氧化劑氧化，生成氧化石墨（GO）經過超聲剝離得到氧化石墨烯。水合肼：還原劑，出去氧化石墨烯表面的含氧官能團，得到石墨烯。硝酸鈉：在強酸環境下，硝酸根具有強氧化性。雙氧水：除去氧化中多餘的高錳酸鉀，氧化成2價錳離子除去。稀鹽酸：洗去其中的金屬離子，硫酸根離子，氯化鋇：檢測其中的硫酸根離子。

　　改進的Hummers法製備氧化石墨

　　改進的Hummers法製備氧化石墨：在冰水浴中裝配好500 ml的反應瓶，將5 g石墨粉和5 g硝酸鈉與200 ml濃硫酸混合均勻，攪拌下加入25 g高氯酸鉀，均勻後，再分數次加入15 g高錳酸鉀，控制溫度不超過20 ℃，攪拌一段時間後，撤去冰浴，將反應瓶轉移至電磁攪拌器上，電磁攪拌持續24 h。之後，攪拌下緩慢加入200 ml去離子水，溫度升高到98 ℃左右， 攪拌20 min後，加入適量雙氧水還原殘留的氧化劑，使溶液變為亮黃色。然後分次以10000 rpm轉速離心分離氧化石墨懸浮液，並先後用5%HCl溶液和去離子水洗滌直到分離液pH=7。將得到的濾餅真空乾燥即得氧化石墨。氧化石墨的製備工藝流程如圖3-1所示。

　　

　　註：低溫反應（＜20℃）中，由於溫度很低，硫酸的氧化性比較低，不足以提供插層反應的驅動力，所以，石墨烯原先沒有被氧化。當加入高錳酸鉀後，溶液的氧化性增強，石墨烯的邊緣首先被氧化。隨著氧化過程的進行和高錳酸鉀加入量的增加，石墨裡的碳原子平面結構逐漸變成帶有正電荷的平面大分子，邊緣部分因氧化而發生捲曲。此時，硫酸氫根離子和硫酸分子逐漸進入石墨層間，形成硫酸-石墨層間化合物。中溫反應（＜40℃）時，硫酸-石墨層間化合物被深度氧化，混合液呈現褐色。高溫反應（90℃-100℃）階段，殘餘的濃硫酸與水作用放出大量的熱，使混合液溫度上升至 98℃左右，硫酸-石墨層間化合物發生水解，大量的水進入硫酸-石墨層間化合物的層間，成為層間水並排擠出硫酸，而水中的 OH-與硫酸氫根離子發生離子交換作用，置換出部分硫酸氫根離子並與石墨層面上的碳原子相結合，結果使石墨層間距變大，出現石墨烯體積膨脹現象，此時溶液呈亮黃色。在水洗和乾燥過程中，氧化石墨層間的 OH-與 H+結合以水分子形式脫去，因此產物由金黃色逐漸變成黑色。

　　石墨烯製備：圖3-2為氧化石墨製備石墨烯的工藝流程圖。將氧化石墨研碎，稱取300 mg分散於60 ml去離子水中，得到棕黃色的懸浮液，超聲分散1 h後得到穩定的膠狀懸浮液。然後轉移到四口燒瓶中，加入600 mg硼氫化鈉和50 mg十二烷基苯磺酸鈉，升溫至80 ℃，在此條件下回流16 h後離心分離，依次用丙酮和去離子水洗滌至pH=7，將得到的濾餅真空乾燥後保存備用， 記為GS1。按照同樣的方法在不加分散劑的條件下製備得到石墨烯GS。

　　

　　註：石墨經過強氧化劑氧化得到氧化石墨，在石墨層的六元環上形成羥基、環氧基和羧基。

　　一方面，含氧基團為親水性，它們的引入改善了石墨烯的水溶性，使氧化石墨在水中溶解度變大，穩定性增加，這一點在科研中，多被用來製備改性石墨烯。另一方面，含氧基團的引入由於空間位阻效應使石墨層間距變大，減小了石墨層間的團聚現象。

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