氧化石墨烯的制备
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。
氧化石墨烯的sem描述
氧化石墨烯的sem描述氧化石墨烯是一种具有广泛应用前景的二维材料，具有独特的结构和特性。
本文将从结构、制备方法、表征以及应用等方面对氧化石墨烯进行详细描述。
1. 结构氧化石墨烯是由石墨烯经过氧化处理得到的产物。
石墨烯是由碳原子通过sp2杂化形成的六角网格结构，而氧化石墨烯则是在石墨烯表面引入了氧原子。
氧化石墨烯的结构中含有大量的羟基、羧基和环氧基等官能团，使其具有较高的化学活性和表面活性。
2. 制备方法氧化石墨烯的制备方法多种多样，常见的方法包括Hummers法、Brodie法、热氧化法等。
其中，Hummers法是最常用的制备方法之一。
该方法通过将石墨与硫酸、硝酸等强酸混合处理，使石墨表面发生氧化反应，得到氧化石墨烯。
制备过程中需要控制反应温度、时间和酸浓度等参数，以获得高质量的氧化石墨烯。
3. 表征对氧化石墨烯进行表征是了解其结构和性质的重要手段。
常用的表征方法包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等。
其中，SEM 可以观察到氧化石墨烯的表面形貌和层状结构，TEM可以进一步观察其层状结构和原子尺度的细节。
XRD和FTIR可以用于分析氧化石墨烯的晶体结构和官能团的存在情况。
4. 特性氧化石墨烯具有许多独特的特性，使其在各个领域具有广泛的应用前景。
首先，由于氧化石墨烯表面含有丰富的官能团，使其具有良好的亲水性和分散性，有利于其在复合材料、涂料等领域的应用。
此外，氧化石墨烯具有较高的导电性和热导率，可用于制备导电薄膜、传感器、储能器件等。
此外，氧化石墨烯还具有优异的力学性能和化学稳定性，在柔性电子器件、催化剂等方面也有广泛的应用潜力。
5. 应用氧化石墨烯的应用领域非常广泛。
首先，在能源领域，氧化石墨烯可以用于制备高效的储能器件，如锂离子电池、超级电容器等。
其次，在材料领域，氧化石墨烯可以用于制备高强度、高导电性的复合材料，在航空航天、汽车制造等领域具有重要的应用价值。
氧化石墨烯的制备
氧化石墨烯的制备
氧化石墨烯的制备主要包括以下几个步骤：
1.准备石墨：首先需要准备一些石墨，可以从石墨矿石中提取。
2.氧化：在氧化石墨的制备过程中，将石墨与氧化剂（如硝酸、硫酸）混合，石墨的层状结构会被破坏，形成氧化石墨。
3.剥离：氧化石墨的片层相互之间会通过范德华力结合在一起，形成一些片层堆叠的结构。
此时可以使用超声波、球磨等方式，使片层分离，形成单片的氧化石墨。
4.还原：最后，可以将氧化石墨还原，形成氧化石墨烯。
常用的还原方法包括热还原、化学还原、电化学还原等。
在制备过程中，需要注意安全事项，如穿戴防护服和手套，避免接触强酸等有害物质。
同时，也需要对制备出的氧化石墨烯进行质量检测，确保其满足后续应用的要求。
氧化石墨烯制备——Hummers改进法
氧化石墨烯的制备
1准备冰浴
2加入40mlH3PO4
3加入360mlH2SO4
4 加入3g石墨
5加入18gKMnO4（缓慢加入防止过热）
6冰浴搅拌30min
750℃水浴搅拌；反应12h
8冰浴30min
9 用针筒吸取3ml 30％浓度的H2O2，缓慢注射入反应物中反应30min（由于反应时放热剧烈，所以注射时速度不能过快）
10将反应产物倒入烧杯中，取适量的产品放入试管中进行第一次离心（每支试管中的产品不得超过30g），离心90min。
离心后去除上层液体
11 准备冰浴，将试管放入冰浴中，用蒸馏水洗涤下层液体，待冷却后进行第二次离心，离心60min。
并去除上层液体
12 重复上述操作进行第三次离心。
13 将除去上层液体的产品放入烧杯中，加入200ml蒸馏水进行超声，超声后离心过滤，放入烘箱烘干。
氧化石墨烯制备方法
氧化石墨烯制备方法
氧化石墨烯的制备方法主要有以下几种：
1. 化学氧化法：将石墨粉或石墨片与强氧化剂（如硫酸、硝酸、高锰酸钾等）进行反应，使其发生氧化反应，生成氧化石墨烯。
2. 热氧化法：将石墨片或石墨粉暴露在高温氧气或空气中，通过热氧化反应将其转化为氧化石墨烯。
3. 氧化还原法：先将石墨片或石墨粉与强氧化剂进行氧化反应，生成氧化石墨烯，然后通过化学还原或热还原的方法将其还原为石墨烯。
4. 热分解法：通过将石墨烷（CH4）或其他含碳化合物在高温下进行热分解生成石墨烯，再将其与氧气或空气进行氧化反应制备氧化石墨烯。
这些方法都可以制备出氧化石墨烯，但各有优缺点，选择合适的制备方法需要考虑目标产物的纯度、产量、成本和工艺条件等因素。
氧化石墨烯材料的制备与应用前景
氧化石墨烯材料的制备与应用前景近年来，石墨烯材料的应用逐渐受到广泛关注。
作为一种具有非常好的光学、电学和力学性能的材料，其在探索新型电子器件、能源存储和燃料电池等方面具有潜力。
其中，氧化石墨烯正逐渐成为备受瞩目的研究热点。
本文将介绍氧化石墨烯材料的制备方法和应用前景。
一、氧化石墨烯的制备方法1. 氧化石墨烯的化学氧化方法：在强氧气化作用下，石墨烯可以氧化为氧化石墨烯。
这种方法可以通过溶剂剥离、电化学氧化、漏电氧化等实现，其中以漏电氧化方法最为普及。
2. 氧化石墨烯的还原方法：在氧化石墨烯与还原剂反应后，可以通过还原方法得到氧化石墨烯。
其中还原剂的选择对还原效果有着重要的影响。
目前常用的还原剂有氢气、钠汞合金、氨气、还原型发泡剂等。
3. 氧化石墨烯的物理剥离方法：通过机械剥离、热剥离、化学剥离等物理方法，可以得到氧化石墨烯。
其中机械剥离常用的手段是扫描隧道显微镜（STM）和力探显微镜（AFM）。
二、氧化石墨烯的应用前景1. 能源存储：氧化石墨烯有着超过其它材料的高比表面积和导电性，这使其具备一定的活性材料储能能力。
将氧化石墨烯与电极材料结合起来，可以制成石墨烯基的锂离子电池。
2. 电子器件：氧化石墨烯的制备简单、成本低，而在透明导电薄膜、场发射器件、传感器等方面有着广泛应用。
与传统的二维材料相比，氧化石墨烯更容易形成稳定的涂层，具有更大的应用前景。
3. 燃料电池：氧化石墨烯具有良好的电化学性能和导电性，可以提高电池的效率和储存能力。
利用氧化石墨烯制备的电极材料，可以制成燃料电池的阳极和阴极。
总结：氧化石墨烯的制备方法和应用前景具有广阔的发展前景。
其独特的性能特点，为研究人员带来了许多新的机会和挑战。
在未来，氧化石墨烯的应用前景将会更加广泛。
我们期待着氧化石墨烯能够在更多领域发挥出其潜力，为我们的生活和社会进步带来贡献。
Hummers法制备氧化石墨烯
Hummers法制备氧化石墨烯氧化石墨烯是一种重要的石墨烯衍生物，具有丰富的官能团和良好的水溶性，在材料科学、生物医学、能源等领域具有广泛的应用前景。
制备高质量的氧化石墨烯是进一步研究和应用的基础。
Hummers法是一种常用的制备氧化石墨烯的方法，本文将探讨Hummers法制备氧化石墨烯的关键点，以期为相关研究提供参考。
Hummers法，氧化石墨烯，浓硫酸，还原性气体，过滤，干燥将天然石墨与浓硫酸混合，并在冰浴中搅拌均匀。
在30℃下保持1小时，然后升高温度至50℃并保持1小时。
在30℃下搅拌30分钟，然后过滤得到氧化石墨烯。
干燥采用真空干燥箱，温度为60℃，时间为2小时。
Hummers法制备氧化石墨烯具有制备过程简单、产率高、产品质量好等优点。
通过控制实验条件，可以调控制备的氧化石墨烯的氧化程度，从而获得具有优良性能的氧化石墨烯。
然而，该方法也存在一些不足之处，如使用浓硫酸和高温条件可能导致设备腐蚀和安全隐患。
实验过程中产生的大量废液也增加了环保压力。
为了解决这些问题，可以尝试优化实验条件，减少废弃物的产生，实现绿色合成。
通过对比实验发现，优化后的Hummers法制备氧化石墨烯的实验条件如下：石墨与浓硫酸的重量比为1：10，高锰酸钾的加入量为石墨质量的3％，反应温度控制在30℃以下，双氧水的加入量为石墨质量的5％，搅拌速度为400转/分钟，过滤使用纤维素滤纸，洗涤使用乙醇和去离子水的混合液（体积比为1：1），干燥采用真空干燥箱，温度为40℃，时间为1小时。
在优化后的实验条件下，不仅提高了氧化石墨烯的产率，还降低了设备腐蚀和安全隐患的风险，同时减少了废液的产生，有利于环保。
通过使用乙醇和去离子水的混合液进行洗涤，可以进一步脱除氧化石墨烯中的杂质，提高产品的纯度和质量。
本文探讨了Hummers法制备氧化石墨烯的关键点，并对其进行了优化。
通过控制实验条件，可以制备出高质量的氧化石墨烯，具有较高的产率和优良的性能。
氧化石墨烯的制备方法总结
氧化石墨烯的制备方法总结内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）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 H 2SO 4，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 NaNO 3，然后缓慢加入 15g KMnO 4，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 BaCl 2检测无白色沉淀生成，说明没有 SO 42-的存在，样品在40~50℃温度下烘干。
H 2SO 4、NaNO 3、KMnO 4一起加入到低温反应的优点是反应温度容易控制且与 KMnO 4反应时间足够长。
如果在中温过程中加入 KMnO 4，一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。
石墨烯的氧化还原法制备及结构表征
实验目的：（1）了解石墨烯的结构和用途。
（2）了解氧化后的石墨烯比纯石墨烯的性能有何提升（3）了解Hummers法的原理一、实验原理：天然石墨需要进行先氧化，得到氧化石墨，再经过水合肼的作用下还原，才能得到在水相条件下稳定分散的石墨烯。
石墨的氧化过程采用浓硫酸和高锰酸钾这两种强氧化剂，氧化过程中先加浓硫酸，搅拌均匀后再加高锰酸钾，氧化过程从石墨的边沿进行，然后再到中间，氧化程度与持续时间有关。
氧化过程中要增加石墨的亲水性，以便于分散，分散一般使用超声分散法。
氧化后的氧化石墨烯需要进行离心处理，使得pH值在6到7之间，目的是洗去氧化石墨烯的酸性，根本原因是研究表明氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可以形成稳定的悬浮液。
氧化石墨烯的还原有多种方法，化学还原和热还原等，化学还原采用水合肼，热还原采用作TGA后，加热到200℃，一般大部分的含氧官能团都能除去。
二、实验内容：1、利用氧化还原法制备石墨烯2、对制得的石墨烯进行结构表征三、实验过程：实验利用Hummers法进行实验：1、在三颈瓶外覆盖冰块，制造冰浴环境，并在三颈瓶内放入搅拌磁石；2、将冰状天然石墨4g和硝酸钠2g倒入三颈瓶中；3、将92ml浓硫酸倒入三颈瓶中；4、开启磁力搅拌器，把溶液搅拌均匀后再缓慢加入高锰酸钾12g，在冰浴环境下搅拌3h；5、升温至35℃，保持搅拌0.5h或1h，此时是对石墨片层中间进行氧化作用，氧化程度与持续时间有关；6、加入去离子水184ml，缓慢滴加，保持温度低于100℃，升温至90℃，保温3h，溶液变红；7、加300ml去离子水和30%的双氧水溶液10ml，使得高锰酸钾反应掉，静置一晚，倒掉上层清液；8、对溶液进行离心操作7-8次，使得pH值在6-7；9、减压蒸馏，进行还原反应得到石墨烯；10、对得到的产物进行结构表征。
六、实验结果及讨论：(A)氧化后的氧化石墨烯悬浮液 (B) 还原过程加热温度对氧化石墨烯含量的对比记录(C)石墨烯的XRD（D）石墨烯的SEM图有（B）可知随着温度的上升，氧化石墨烯反应得越多，占比越低。
氧化石墨烯的制备与性能
氧化石墨烯的制备与性能1. 氧化石墨烯的概述氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）是一种由石墨烯经过氧化反应处理而得到的材料。
GO是具有非常广泛应用前景的新兴纳米材料，它的化学稳定性和电学性质使其在石墨烯生物学、光伏电池、半导体材料、传感器、储能材料等领域得到了广泛的关注。
下面将介绍氧化石墨烯的制备方法以及其主要性质。
2. 氧化石墨烯的制备方法目前，制备氧化石墨烯主要有两种方法：Hummers法和改良Hummers法。
（1）Hummers法Hummers法由美国人W.S. Hummers在1958年创立。
此法的核心是石墨的强酸氧化，以得到氧化石墨烯。
该方法操作简单、容易控制，但是存在强酸和钾氟化物等有毒有害物质，有一定的安全风险。
（2）改良Hummers法为了去除Hummers法中存在的安全隐患，许多研究者对其进行了改良。
改良后的方法通常会用不同的氧化剂与酸进行氧化反应，以得到氧化石墨烯。
不同的改良方法会对氧化石墨烯的质量和性质产生不同的影响。
3. 氧化石墨烯的性质（1）表面化学基团氧化石墨烯表面具有氧、羧、羟基等化学基团。
这些基团可以在改性上起到重要的作用。
（2）导电性GO为一种氧化物，其导电性质显著降低，但仍可用于柔性电子器件等应用。
（3）光学性质GO在紫外光谱和红外光谱上有明显的吸收峰。
此外，GO的吸收峰随着其结构的不同而产生不同的变化。
（4）尺寸及结构特征GO的片层结构可以通过透射电子显微镜等手段进行表征。
GO的片层结构尺寸非常小，同时其结构也很有序。
4. 氧化石墨烯的应用前景氧化石墨烯具有很广泛的应用前景，特别是与其它材料的复合应用十分值得探究。
（1）血糖传感器氧化石墨烯和纳米金的复合可以制备出高灵敏的血糖传感器，用于血糖检测。
（2）柔性电子材料由于GO的柔韧性和高强度，它可以制造出柔性电子材料，如可弯曲的屏幕等。
（3）能源领域氧化石墨烯可以用于制造超级电容器和锂离子电池等储能材料。
石墨烯的制备(一)：氧化-还原法
高温-较低温’’反应过程。实验现象：1 原始石墨与浓硫酸混合呈现墨黑色、2 加入高锰酸钾 后变成墨绿色、3 加热反应后变成深褐色、4 样品溶入水中呈深棕色、5 经过双氧水处理后 呈橙黄色，6 样品经过离心洗涤、超声剥离、干燥研磨处理后得到样品 F1-3:GO-120。
2.3.F2-1:GO-72 的制备实验
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石墨烯的制备(一) ：氧化-还原法
2015.10
4.1.2.GO 的 FT-IR 表征
图 13 不同 GO 的 FT-IR 图谱
从图 13 可以看出， 5 个样品在 3426cm-1 处都出现一个较宽的吸收峰， 其中 F1-2-2:GO-48、 F1-2-2:GO-120 和 F2-1:GO-72 的峰较强，这主要是由于-OH 的伸缩振动引起的；5 个样品在 1617cm−1 处的吸收峰可能是 C-OH 的弯曲振动吸收峰； F1-2-2:GO-120 在 1725cm−1 处出现的 较强的吸收峰为羧基上的 C=O 伸缩振动峰；5 个样品在 1076cm−1、1389cm−1 的峰为 C-O-C、 C-O 的振动吸收峰，但峰形很弱，表明 C-O-C 基团很少；另外，1617cm-1 和 1389cm-1 处振 动吸收峰的共同出现，对应的是水分子的变形振动吸收峰，说明样品中有水分子的存在，这 也说明样品中的水分子很难去除；综上所述，可得知所制备的氧化石墨烯主要含有 OH 、 -COOH、C-O-C、-C=O 四种官能团。
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石墨烯的制备(一) ：氧化-还原法
2015.10
4.1.3.3.F1-3:GO-120
图 16 F1-3:GO-120 的 AFM 图谱
石墨烯制方法：Hummers法
改进的Hummers法制备氧化石墨改进的Hummers法制备氧化石墨:在冰水浴中装配好500 ml的反应瓶，将5 g石墨粉和5 g 硝酸钠与200 ml浓硫酸混合均匀，搅拌下加入25 g高氯酸钾，均匀后，再分数次加入15 g 高锰酸钾，控制温度不超过20 ℃，搅拌一段时间后，撤去冰浴，将反应瓶转移至电磁搅拌器上，电磁搅拌持续24 h。
之后，搅拌下缓慢加入200 ml去离子水，温度升高到98 ℃左右，搅拌20 min后，加入适量双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。
然后分次以10000 rpm转速离心分离氧化石墨悬浮液，并先后用5%HCl溶液和去离子水洗涤直到分离液pH=7。
将得到的滤饼真空干燥即得氧化石墨。
氧化石墨的制备工艺流程如图3-1所示。
注：低温反应(＜20℃)中，由于温度很低，硫酸的氧化性比较低，不足以提供插层反应的驱动力，所以，石墨烯原先没有被氧化。
当加入高锰酸钾后，溶液的氧化性增强，石墨烯的边缘首先被氧化。
随着氧化过程的进行和高锰酸钾加入量的增加，石墨里的碳原子平面结构逐渐变成带有正电荷的平面大分子,边缘部分因氧化而发生卷曲。
此时，硫酸氢根离子和硫酸分子逐渐进入石墨层间,形成硫酸-石墨层间化合物。
中温反应(＜40℃)时，硫酸-石墨层间化合物被深度氧化，混合液呈现褐色。
高温反应(90℃-100℃)阶段，残余的浓硫酸与水作用放出大量的热，使混合液温度上升至98℃左右，硫酸-石墨层间化合物发生水解，大量的水进入硫酸-石墨层间化合物的层间，成为层间水并排挤出硫酸，而水中的OH-与硫酸氢根离子发生离子交换作用，置换出部分硫酸氢根离子并与石墨层面上的碳原子相结合，结果使石墨层间距变大，出现石墨烯体积膨胀现象，此时溶液呈亮黄色。
在水洗和干燥过程中，氧化石墨层间的OH-与H+结合以水分子形式脱去，因此产物由金黄色逐渐变成黑色。
石墨烯制备：图3-2为氧化石墨制备石墨烯的工艺流程图。
将氧化石墨研碎，称取300 mg 分散于60 ml去离子水中，得到棕黄色的悬浮液，超声分散1 h后得到稳定的胶状悬浮液。
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]250 mL2 g 石墨粉和1 g次加入6 g 2035℃30 min20 min5%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。
然后将样品用5 %的H2SO4（质量分数）溶液进行稀释，搅拌2 h后，加入6 mL H2O2，溶液变成亮黄色，搅拌反应2 h离心。
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大学生创新训练项目研究报告项目名称：氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯的制备及其吸附性的研究项目类型：一般项目项目年度：2014年项目负责人：李柯学号：32012080015负责人院（系）：安全与环境工程学院环境工程系专业（方向）：环境工程项目组成员：杨梦凡、杨舒、卢光远指导教师：任冬梅教务处制二〇一五年摘要石墨烯是由单层碳原子排列组合而成，呈六边形网状结构，因其特殊的二维结构表现出许多优异的性质。
而氧化石墨烯由于在表面及边缘上大量含氧基团的引入，易于修饰与功能化，且保持着化学稳定性。
本文采用改良hummers法制备氧化石墨烯。
本文采用改良hummers 法制备氧化石墨烯。
改进后制备较高氧化程度的氧化石墨的原料：天然鳞片石墨1g，浓硫酸23ml，高锰酸钾3g，硝酸钠0.5g，30%双氧水10ml，35%的盐酸，蒸馏水若干（实验中采用了多组不同的原料用量配比，过程记录以此组数据为例）。
并得到如下结论：制取氧化石墨烯时，一定范围内，天然鳞片石墨用量减少可以提高氧化程度；硝酸钠用量的变化对石墨烯氧化程度影响不大；适度增加高锰酸钾和双氧水的用量同样可以提高氧化程度。
实验过程中，高锰酸钾对石墨烯的氧化起着至关重要的作用，加入高锰酸钾时长时间缓慢增加对石墨烯氧化程度的效果比一次性直接加入要好。
改进后的方法有利于提高实验室合成氧化石墨烯的效率，一定程度上降低了实验操作的难度。
制取磁性氧化石墨烯的过程中，是在强碱性（PH>12）的环境下，让氧化石墨烯与FeCl3和FeCl2水浴恒温，使生成的纳米Fe3O4直接镶嵌复合到氧化石墨烯上。
最后在不同浓度的PH条件下测得氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯对甲基橙和重金属离子的吸收。
关键词：氧化石墨烯、磁性氧化石墨烯、吸附性目录1.引言氧化石墨烯及氧化石墨烯基复合材料备受各个研究领域的关注。
虽然氧化过程在一定程度上破坏了石墨烯高度共轭结构，但是却使产物具有了着较大的比表面积和层状结构。
利用氧化石墨烯作为原材料，经过不同的加工处理手段，可以获得具有特殊性能的石墨烯基衍生物与复合物。
通过对氧化石墨烯的剪裁与功能化可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展石墨烯衍生物的应用范围。
氧化石墨烯作为合成石墨烯基复合材料的前驱物与支撑基底，易功能化，可控性高。
在与其他纳米材料复合过程中，可以提供大的比表面积有效分散附着材料，防止其团聚，同时提高其光学，电学或力学性质。
氧化石墨烯及其复合材料具有广泛的运用前景，可用于催化剂载体[1] ，阻燃材料[2]，表面活性剂[3]等。
然而，作为一类新兴的碳材料，氧化石墨烯的基础研究和应用研究具有较大的研究空间，仍有很多未知领域需要探索。
首先，需要了解氧化石墨烯自身差异性。
其次，实现氧化石墨烯的功能化和发掘丰富的石墨烯基衍生物是近年来科研工作者的研究热点。
最后，石墨烯基纳米复合材料的开发与拓展也是研究者竞相追逐的焦点。
材料应用范围很广。
氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。
氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。
石墨鳞片在H2SO4、HNO3、HClO4等强酸和少量氧化剂的共同作用下可形成最低阶为1阶的石墨层间化合物，这种低阶石墨层间化合物在过量强氧化剂如高锰酸钾、高氯酸钾等的作用下，可继续发生深度液相氧化反应，产物水解后即成为氧化石墨烯[4]。
本文中所涉及的改良hummers法通过不断改变原料的配比用量，多次实验并进行数据分析，然后在实验过程中各个步骤上依次调整，最后真空抽滤、超声震荡等方法以获得较高产率和纯度的氧化石墨烯。
图一（氧化石墨烯的结构式）2氧化石墨烯的制备2.1原料和仪器原料：天然鳞片石墨，98%的浓硫酸，高锰酸钾，硝酸钠，30%的双氧水，35%的盐酸，蒸馏水。
仪器：电子天平，恒温水浴锅，电磁搅拌器，真空抽滤机，差速离心机，多功能电阻率自动测定仪3.2实验过程及实验现象3.2.1制备低温反应阶段：用电子天平称量出1.0046g的石墨鳞片和0.5006g的硝酸钠放入反应用的锥形瓶中，在放入一粒电磁子，再称量3.0001g高锰酸钾备用。
将锥形瓶放在电磁搅拌机上，用碎冰块在锥形瓶周围制造出0o C左右的冰浴环境。
用量筒量取23ml98%的浓硫酸缓缓倒入锥形瓶中，打开电磁搅拌器机开始搅拌，使锥形瓶中的物质充分均匀混合。
10分钟后开始加入高锰酸钾，保持低温并持续搅拌，半小时时间内缓慢且均匀的将高锰酸钾加入锥形瓶。
现象：加入KMnO4后，反应体系上层逐渐变成浅绿色，混合物开始变得粘稠。
中温反应阶段：把冰浴换成35o C的水浴锅，打开电子搅拌器上的恒温开关，持续搅拌并恒温在35o C 90分钟。
现象：反应体系变成墨绿色，混合物非常粘稠。
高温反映阶段：向锥形瓶中缓慢加入100o C的蒸馏水，共46ml 10分钟加入完毕，控制水域温度维持在98o C反应15分钟，并持续搅拌。
现象：加入蒸馏水之后剧烈放热，呈现出紫红色。
混合物从粘稠状态逐渐变稀，颜色变为褐色。
高温反应结束后，水域冷却至室温。
然后再向体系中加入140ml蒸馏水以及10ml 30%的双氧水，10分钟后加入40ml 35%的盐酸，混合均匀后静置是不溶物沉积于锥形瓶底部。
现象：静置分层后，上层为棕色液体，下层为黄色颗粒和黑色颗粒的混合物。
2.2.2分离现将得到的混合物进行多次抽滤出去过量的酸，然后低速离心洗涤除去副产物，将洗涤后呈中性的氧化石墨分散于水中，超声震荡剥离30分钟，超声结束后在10000转每分钟的转速下离心10分钟，得到的底层淤泥状物质即是氧化石墨烯。
2.2.3电阻率测定（1）石墨用量改变时：由于石墨在被强氧化剂缓慢氧化的过程中，含氧的官能团结合到石墨层之间，使层面内的二键断裂，抑制了自由电子的移动，因而导电性能逐渐下降。
表1列出了高锰酸钾用量3g、硝酸钠用量0.5g、浓硫酸用量23ml和低温反应时间相同的条件下，改变石墨用量(分别为0.5g、10g、1.5g和2g)时产物的电阻率。
可见随着石墨用量的增加，产物的电阻率逐渐降低，氧化程度逐渐提高。
表1石墨用量/g 0.5 1.0 1.5 2.0电阻率/Ω·m 1451.7 622.4 108.1 99.5 （2）硝酸钾用量改变时：表2列出了未加高锰酸钾氧化剂时，硝酸钠用量不同的产物的电阻率。
可见，尽管硝酸钠的用量增加了3倍，产物的电阻率却没有太大的变化。
虽然两者的电阻率都高于粒度为44微米的天然磷片石墨的电阻率(151*10-6Ω·m)，但相对于氧化程度较高的氧化石墨来说，电阻率上升的幅度却很小，表明硝酸钠在反应体系中所起的氧化作用是非常有限的表2硝酸钾用量/g 0.5 2电阻率/10-6Ω·m 448.7 945.5（3）高锰酸钾用量改变时：表3对比列出了高锰酸钾用量不同时产物的电阻率。
可见氧化剂高锰酸钾用量愈多，产物的电阻率也愈大，石墨的氧化程度也愈高。
表3高锰酸钾/g 1.5 3 6电阻率/Ω·m0.45 52.4 271.53.磁性氧化石墨烯（Fe3O4型）的制备3.1原料和仪器原料：氧化石墨烯，氯化铁晶体，氯化亚铁晶体，蒸馏水，固体氢氧化钠仪器：四口圆底烧瓶，冷凝管，液氮控制装置，电子天平，恒温水浴锅，机械搅拌器，差速离心机3.2实验过程及实验现象3.2.1制取先称量好如下药品，氧化石墨烯（200mg）、FeCl2 4H2O（172.2mg，0.866mol，Wt=198.81）和FeCl3（280.95mg，1.732mol，Wt=162.2），并制配好10mol·L-1的NaOH溶液，备用。
在四口圆底烧瓶中，将氧化石墨烯（200mg）、FeCl2 4H2O（172.2mg，0.866mol，Wt=198.81）和FeCl3（280.95mg，1.732mol，Wt=162.2）溶于200ml蒸馏水中。
缓慢滴加1.5ml（10mol L-1）NaOH溶液，溶液的pH值至大于12。
四口分别接入冷凝管、温度计、机械搅拌棒、氮气管。
然后将混合物至于水浴恒温锅中加热至80℃，机械搅拌1h。
反应完毕，继续通氮气直至反应体系冷却至室温。
将冷却后的悬浊液倒入离心管中，10000r/min的离心机下离心10分钟。
得到的下层沉淀物即为磁性氧化石墨烯。
（装置参考下图，机械搅拌请参考石墨烯制备装置）4.氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯对甲基橙和重金属铬离子的吸附性能的测试5.1测定两种石墨烯对甲基橙试剂的吸附能力采用分光光度法测定。
先制备好3份浓度相同的甲基橙溶液于比色管中，其中一只加入少量氧化石墨烯，一只加入少量磁性氧化石墨烯，摇匀静置，使其充分吸附。
20分钟后离心分离出石墨烯得到上层清液。
分别在3只显色管中添加显色剂2 毫升，约放置5到10 分钟，于波长460nm 处分别测定其吸光度，绘制标准曲线。
试验配制溶液静置待测。
改变甲基橙浓度测量3次取平均值。
5.2测定两种石墨烯对重金属离子的吸附能力配置3份相同浓度的重铬酸钾标准溶液置于 50 毫升比色管中，去离子水稀释至标线，添加硫酸溶液 0.5 毫升，磷酸溶液 0.5 毫升 l，摇匀静置。
其中一只加入少量氧化石墨烯，一只加入少量磁性氧化石墨烯，摇匀静置，使其充分吸附。
20分钟后离心分离出石墨烯得到上层清液。
添加显色剂 2 毫升，约放置 5到 10 分钟，于波长 540nm 处分别测定其吸光度，绘制标准曲线。
试验配制溶液静置待测。
6结论（1）制取氧化石墨烯时，一定范围内，天然鳞片石墨用量减少可以提高氧化程度；硝酸钠用量的变化对石墨烯氧化程度影响不大；适度增加高锰酸钾和双氧水的用量同样可以提高氧化程度。
（2）实验过程中，高锰酸钾对石墨烯的氧化起着至关重要的作用，加入高锰酸钾时长时间缓慢增加对石墨烯氧化程度的效果比一次性直接加入要好。
（3）按照物质的量比天然鳞片石墨1，高锰酸钾0.2264，浓硫酸0.4243，低温反应时间超过2h，高温反应过程中采取水域恒温的方式将反应体系的温度控制在100℃以内能更加有效的提高反应的氧化程度。
（4）FeCl2与FeCl3的摩尔比应略大于2：1，反应结束后应保持继续通氮气直到反应体系冷却至室温，以防止二价的亚铁离子被氧化，提高磁性氧化石墨烯的产量。
（5）通过以上两折线图可以分析得出PH变化对氧化石墨烯对甲基橙吸附性的影响不大。
而磁性氧化石墨烯在弱碱性的时候吸附性能大于酸性的时候。
（6）对铬离子的吸收则是酸性条件下较好，且磁性氧化石墨烯的吸附能力强于氧化石墨烯。
磁性氧化石墨烯对铬离子的最佳吸收PH为2。
6.参考文献[1]Matsuo Y，Tahara K，Sugie Y. Carbon1997，35(1)：113-120[2]Ding R F，Hu Y，Gui Z，et al. Polymer Degradation and Stability，2003，81（3）：473-476[3]Kim J，Cote LJ，Kin F，et al. J.Am.chem.Soc.，2010，132（23）：8180-8186[4]傅玲，刘洪波，邹艳红，李波. Hummers法制备氧化石墨时影响氧化程度的工艺因素研究[J].炭素，2005，04：10-14。