采用Hummers法，在濃硫酸、高錳酸鉀等氧化劑存在條件下，將石墨粉氧化制備成氧化石墨烯，將氧化石墨溶解于水中，然后用水合肼還原氧化石墨烯后制備得到石墨烯，同時，采用紅外光譜、紫外光譜、透射電鏡等手段對得到的氧化石墨烯和石墨烯進行了表征。結(jié)果表明：制備得到了氧化石墨烯和石墨烯，且二者已經(jīng)充分剝離。

　　年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈-海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫成功的從石墨中分離出石墨烯。2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎后，世界掀起了研究石墨烯的熱潮。石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種炭質(zhì)新材料，這種石墨烯晶體薄膜的厚度只有0.335nm，是頭發(fā)直徑的20萬分之一，是目前已知的世界上強度最高的材料，是構(gòu)建其它維數(shù)炭質(zhì)材料的基本單元，具有極好的結(jié)晶性和電化學(xué)性能。由于石墨烯具有這些性能優(yōu)異，成本低廉，可加工性好等優(yōu)點，使其在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。

　　目前，石墨烯的制備手段通常可以分為2種類型，即化學(xué)方法制備石墨烯和物理方法制備石墨烯。物理方法是從具有高晶格完美型的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80nm 以上。物理方法包括機械剝離法、取向附生法、加熱SiC 法、爆炸法等;而化學(xué)方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10nm以下。化學(xué)方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、球磨法、氧化石墨還原法等。

　　氧化石墨還原法是目前制備石墨烯最熱門的方法，石墨在濃硫酸中在一定的條件下與強氧化劑反應(yīng)，被氧化后在其片層間帶上羰基、羥基、環(huán)氧基等基團，使石墨層間距變大成為氧化石墨。氧化石墨經(jīng)過適當(dāng)?shù)某�聲處理，容易在水或有機溶劑中分散成均勻的單層或雙層氧化石墨烯溶液，最后用水合肼還原去除剩余的含氧官能團。雖然經(jīng)過強氧化劑完全氧化過的石墨并不一定能夠完全還原，導(dǎo)致其一些物理、化學(xué)等性能降低，但是，這種方法簡便且成本較低，可以制備大批量的石墨烯。本文采用氧化石墨還原法來制備石墨烯。

1、實驗部分

1.1、試劑和儀器

　　石墨粉(200 目過篩，上海試劑廠)，濃硫酸(95%～98%)、高錳酸鉀、硝酸鈉、雙氧水(30%)、鹽酸、水合肼(80%)等均為分析純，試驗用水為二次亞沸蒸餾水。Bruker Tensor 27紅外光譜儀，UV-2550PCUV-visible spectrometer紫外光譜儀，Philips TECNAI-12透射電鏡。

1.2、氧化石墨烯的制備

　　采用Hummers方法，由石墨制備氧化石墨烯GO。

　　石墨先經(jīng)化學(xué)氧化得到邊緣含有羧基、羥基，層間含有環(huán)氧及羰基等含氧基團的GO，此過程可使石墨層間距離從0.34nm擴大到約0.78nm，再通過外力剝離(如超聲剝離)得到單原子層厚度的石墨烯氧化物。具體實驗步驟如下：

　　在250mL燒杯中加入70mL濃硫酸，放入冰水浴中，磁力攪拌下加入適量石墨粉和1g硝酸鈉的固體混合物，再分次加入6g高錳酸鉀，控制反應(yīng)溫度≤20℃，反應(yīng)1.5h。然后將水浴溫度控制在35℃攪拌反應(yīng)40min，再緩慢分次加入90mL去離子水，反應(yīng)溫度控制在90～98℃，攪拌反應(yīng)30min，然后加入7mL30% H2O2還原殘留的氧化劑，反應(yīng)10min，再加入55mL 去離子水反應(yīng)5min。趁熱過濾，并用體積比為1∶10的稀鹽酸溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。產(chǎn)物在60℃的真空干燥箱中充分干燥2～3d，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3、還原石墨烯的制備

　　稱取GO　150mg加入150mL水，超聲1h后，放入250 mL 三口瓶，加入0.3g　KOH，再加入2mL水合肼，在98℃回流反應(yīng)24h后結(jié)束，反應(yīng)液冷后離心分離(10000轉(zhuǎn)，20min)，水洗、離心，連續(xù)3次，乙醇洗1次。固體產(chǎn)物在60 ℃下真空干燥。

2、結(jié)果與討論

2.1、紅外表征

　　氧化石墨烯、石墨烯的紅外光譜見圖1。

圖1　氧化石墨烯(GO)、石墨烯(GN)的紅外光譜譜圖

　　由圖1可以看出，石墨被氧化后出現(xiàn)了一系列紅外吸收峰，在3000～3700cm^-1范圍內(nèi)出現(xiàn)1個較寬、較強的吸收峰，這歸屬于—OH 的伸縮振動峰;在1723、1382、1221和1055cm^-1出現(xiàn)的吸收峰，分別歸屬于—C=O伸縮振動峰，O—H 的變形振動峰，C—OH 及C—O的伸縮振動峰。這些結(jié)果表明GO表面已經(jīng)含有不同種類的含氧官能團。當(dāng)GO被還原為GN時，—C=O的特征吸收消失，在1382的O—H 的變形振動峰及1055的伸縮振動峰變得十分微弱。這個結(jié)果說明氧化石墨烯表面的大部分含氧官能團已去除，石墨烯已經(jīng)成功制備。

2.2、紫外表征

　　制備的GO、GN 通過紫外光譜進行證實(圖2)。

圖2　氧化石墨烯(GO)及石墨烯GN的紫外吸收曲線

　　由圖2可以看出，氧化石墨烯GO的特征吸收峰出現(xiàn)在232nm和301nm處，而當(dāng)GO用水合肼還原為GN時，GN沒有任何的紫外吸收峰出現(xiàn)，表明GO已經(jīng)被還原為GN。

2.3、TEM表征

　　樣品通過將石墨、氧化石墨烯及石墨烯溶解在溶劑中后滴加在銅網(wǎng)表面、經(jīng)紅外燈烘干后在透射電子顯微鏡上進行表征。圖3分別為石墨、氧化石墨烯及石墨烯的TEM 圖。

圖3　石墨(A)、氧化石墨烯(B)、石墨烯(C)的TEM 圖

　　由圖3可以看出，石墨、氧化石墨烯及石墨烯的形貌特征。石墨是大的塊狀結(jié)構(gòu)，而氧化石墨烯及石墨烯是分離出來的單層片狀結(jié)構(gòu)，通過電子顯微鏡能觀察到雙層、單層的氧化石墨烯和石墨烯，說明氧化石墨烯和石墨烯在經(jīng)過反復(fù)超聲后已能發(fā)生很好的剝離。

3、結(jié)論

　　通過Hummers法制備氧化石墨烯，對氧化石墨烯用水合肼還原可以制得石墨烯。通過各種表征手段證明，GO表面含有大量的含氧官能團，為改性制備石墨烯的納米復(fù)合材料提供理論依據(jù)。