石墨烯电极的制作及电化学性质的测定

石墨烯电化学性质的测定
摘要:本实验以石墨为原料，通过改进的Hummers方法制备氧化石墨，在水中超声分散后得到石墨烯水溶胶，肼还原得到石墨烯聚集物。

采用循环伏安法研究了样品的充放电性能。

结果表明：石墨烯可以作为电极材料，并且具有一定的吸附能力。

关键词：石墨烯循环伏安法电化学性质
The preparation of graphene and its eletrochemical performance Abstract: Graphene was oxidized graphite with modifed Hummer’s method and made into aqueous colloid oxidized graphene layers.The graphene was gotten by reducing the graphene layers with ing the cyclic voltammetry method investigates the electrochemical performance. The results show that graphene can be used as electrode materials, and it has absorption capacity.
Key words：graphene; cyclic voltammetry method; electrochemical performance
一．前言：
石墨是由碳原子组成的二维网状结构的有序堆积而成的晶体。

单层的网状平面在自然界中并不能稳定存在。

2004年Novoselov用机械的方法成功将石墨烯
片层结构剥离。

观察到石墨烯层片的存在。

这种二维有序晶体的存在具有独特的电化学性能和光学性能。

其电子符合狄拉克方程而不是薛定谔方程。

由于避免电子传输过程中在石墨中层见的散射，电子在常温下的传输速度可以达到光速的1/300，远高于电子在一般的导体中的传输速度。

石墨烯还可以看做是大的层片分子，双面都可以吸附小分子。

石墨本身具有良好的导电性，石墨烯的开放表面和规整的层片结构有利于加快离子的吸脱附速度，如果用于超级电容器的电极材料可望获得优异的双电层容量和大的功率。

本文用改进的Hummers方法对石墨进行氧化，经分散、还原得到石墨烯；并用循环伏安法测定了石墨烯做为电极材料的充放电性能、对离子的吸附性能。

二．实验部分：
2-1 实验目的：
（1）初步探究新型纳米材料石墨烯作为电极的充放电性能，吸附性能。

(2) 学习简单的电极制备方法。

(3) 熟悉循环伏安法测定电极性质的方法。

2-2 实验原理：
循环伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速率扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位，循环伏安法电位
与时间关系如图：
如果溶液中存在氧化态物质，当正向电压扫描时，发生还原反应
得到上半部分的还原波，称为阴极支；当反向电压扫描时，发生氧化反应
得到下半部分的氧化波，称为阳极支。

阴极支和阳极支组成循环伏安法。

循环曲线得到：
2-3实验步骤：
2-3-1电极的制备：
（1）.将一根导线插入粗细合适的玻璃管并适当地塞入绝缘物使导线不会松动。

制备电极一端的导线金属丝应露出胶皮少许，而导线应缩入玻璃管少许，如下图：
（2）.称取0.0106g的粉末状石墨烯与0.0596g石蜡，微热使石蜡融化，搅拌使液态石蜡与粉末石墨烯混合均匀呈糊状。

（3）.将玻管制备电极的一端压入糊状物。

反复多次直到糊状物塞满玻管制备电极端的缝隙。

糊状物冷却变硬后，将电极端在砂纸上打磨光滑即制得电极：
注意：.石墨烯与石蜡比例过高，则电极不牢固无法使用；比例过低，则导电性差无法使用。

因此若制得电极无法使用，则应改变石墨烯与石蜡的比例按上述步骤重新制备电极。

2-3-2电解液的配置：
（1）空白溶液：
称取KNO31.0285g溶解在去离子水中，用100ml容量瓶定容。

得到KNO3
溶液0.1017mol/L.
（2）23/Fe Fe ++溶液的配制：
称取36[()]K Fe C N 3.2925g ，KCl14.91g 溶解在离子水中，用100ml 容量瓶定容。

得
到36[()]K Fe C N 溶液0.00997mol/L ，底液2mol/L.
(3)硝酸铅溶液的配制
称取3()Pb N O 0.3486g ，KNO 31.1029g 溶解在离子水中，用100ml 容量瓶定容。

得到3()Pb N O 溶液1.0525mol/L ，底液0.1mol/L.
2-3-3 电化学性质的测定：
本实验采用LK98Ⅱ型微机电化学分析系统。

实验方法选择循环伏安法。

以2-2-1中制备的石墨烯电极为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极。

扫描速率为100/A s μ.
(1) 取空白溶液20ml 放入100ml 烧杯中，将三电极放入烧杯中。

寻找合适参数，得到循环伏安图。

（2）清洗电极，取23/Fe Fe ++溶液20ml 放入100ml 烧杯中，放入三电极，得到循环伏安图。

（3）清洗电极，将硝酸铅溶液放入100ml 烧杯中，循环三次，得到循环伏安图，并浸泡5min ，取出后在空白溶液中得到循环伏安图。

三． 结果与讨论：
3-1 实验结果：
（1）石墨烯电极在空白溶液的循环伏安曲线：
在空白溶液的充放电曲线中可以看出正向扫描和反向扫描的电流曲线具有一定高度差，说明该电极具有一定的电容。

在-0.75V 左右有一个氢吸脱附的峰，在循环第一圈时看到0.6V 左右有一个还原峰，而后来的几圈都不出现，可能是电极表面有杂质的原因。

该电极电容与电极界面的表面积有关，也与样品和石蜡组成相关。

样品成分越多，电极表面越大，电容越大。

因此，我们可以制作一系列样品和石蜡不同配比的电极来寻找制备电极的最佳组成。

（2）石墨烯在23/Fe Fe ++溶液中的循环伏安曲线：
该曲线可以看出对于Fe 的氧化还原反应为由循环5次的结果来看，除了第一次循环的曲线外，后来4次循环曲线基本重叠，说明这4次循环具有良好的重复性。

本实验主要用来分析电极反应的可逆性:
首先，从图形上来看，氧化峰和还原峰具有一定对称性。

氧化峰电流 1.1pa i m A =-，
还原峰电流 1.1pc i m A =，pa pc i i =，可以初步认为该电极反应是可逆的。

氧化峰
电位为0.08pa V ϕ=，还原峰电位为0.45pc V ϕ=，本实验还可以配制不同浓度的样
品溶液，在同一扫描速率下进行测量；或者对于同一浓度的样品溶液，采用不同的扫描速率进行作图。

从而证明峰电位与扫描速度无关，进一步证明电极的可逆性。

通常认为0.370.065p V V ϕ∆=>，则该电极反应不可逆。

但是此反应中从图形和
峰电流来看可能具有可逆性，同时，36[()]Fe C N -与46[()]Fe C N -相互转化的反应
理论上应是电极表面发生的可逆反应，只受传质过程中扩散的影响。

造成p ϕ∆偏
大的原因可能是溶液中有杂质，或者是循环次数过少，溶液还没有足够稳定。

（3）2
Pb+吸附性实验：
将硝酸铅溶液放入100ml烧杯中，循环三次，得到循环伏安图：
由此图可以看到循环第一圈时有三个氧化峰，一个还原峰。

循环第二圈第三圈时-0.3V左右的氧化峰逐渐变得越来越小。

该氧化峰应该是释放
O的峰。

该峰逐渐
2
变小说明反应速率逐渐变慢。

第一圈时在-0.8V左右出现22
++→的峰，
Pb e Pb
该峰逐渐变小，在后面两圈中0.6V左右出现了析氢峰。

此时溶液中的2
Pb+已经全部析出，该反应重新变为电解水的反应。

并浸泡5min，取出后在空白溶液中得到循环伏安图：
该曲线同空白溶液中的曲线相比没有明显变化，而同上图相比，特征峰也没有出现，说明吸附现象并不明显。

这里主要问题是实验方法上的一个错误。

在检查有没有吸附性时应该从1.000V 向-1.000V 扫峰。

这样使得原本应该出现的Pb 还原峰又在从-1.000V 电位向1.000V 电位扫描的过程被氧化，因此看不到吸附现象。

3-2 本实验的后续思考：
由于时间、精力以及经验的关系，本实验有以下不足，希望有机会能完善这个实验。

（1） 本实验不够严密, 只是做了石墨烯作为电极时的循环伏安曲线。

没有做
相同条件下的石墨和碳电极的伏安特性曲线。

这样就不能有效说明石墨烯作为电极的优劣性。

同时，本实验的石墨烯是片层结构，不是粉末状，也就是尺寸还是比较大的，会影响导电性。

同时石蜡比例比较大，也一定程度上影响导电性。

（2） 对于23/Fe Fe ++这一组，为了进一步得到电极反应的动力学性质，可以配
制不同浓度的样品溶液，在同一扫描速率下进行测量；或者对于同一浓
度的样品溶液，采用不同的扫描速率进行作图。

从而得到还原峰或氧化
峰电流与浓度、速率的关系，从而进一步说明反应是由反应物的扩散控
制，还是电极具有催化作用。

（3）实验三由于实验方法的错误，导致了没有测出吸附性质。

参考文献
《碳纳米管电极上的电化学行为分析》胡陈果重庆大学应用物理系微纳电子技术2003.7
《仪器分析实验》中国科学技术大学2005.3
《preparation and structure properties of graphene> Yang Rong, Gao min Carbon 2008-05-09
《采用循环伏安法研究微孔型多孔碳的电极特性》张琳湖南大学《中国有色金属学报》2006.1。