低温等离子体制备石墨烯及其性能研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄＨｕｍｍｅｒｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｒｅｐａｒｅｔｈｅｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ（ＧＯ）ｂｙｕｓｉｎｇｇｒａｐｈｉｔｅａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｄｕｃｅｄｏｘｉｄｅｇｒａｐｈｅｎｅ（ＲＧＯ）ｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａ．Ｔｈｅｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｏｘｉｄｅ ｇｒａｐｈｅｎｅｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＳＥＭ，ＴＥＭ，ＦＴ－ＩＲａｎｄＸＲＤ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙｔｈｅｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｔｒｅａｔｅｄｗｉｔｈＮ２ ａｎｄＡｒｐｌａｓｍａｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ；ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａ；ｒｅｄｕｃｅｄｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ
１ 实验部分
１．１ 氧化石墨烯 wk.baidu.comＯ的制备
在 ５００ｍＬ三口烧瓶中加入 ５８ｍＬ浓硫酸，在 －５℃的低温 环境下加入 ２．５ｇ石墨和 １．２５ｇ硝酸钠，继续搅拌 １５ｍｉｎ。之 后在 １ｈ内分批加入 ０．７５ｇＫＭｎＯ４，再搅拌 ２ｈ。然后升温至 ３８℃，搅拌反应 ４ｈ。加入 １２５ｍＬ去离子水（控制液体温度在 ９０～１００℃之间），保持温度在 ９８℃左右继续搅拌 ３０ｍｉｎ。再加 入大量去离子水使反应终止，缓慢滴加 Ｈ２Ｏ２ 至无气泡产生，此 时溶 液 由 墨 绿 色 变 成 亮 黄 色。加 入 ５０ｍＬ质 量 分 数 ５％ 稀 ＨＣｌ。对产物进行离心洗涤，取离心管上层液滴加饱和 ＢａＣｌ２ 溶 液，直到无沉淀生成。继续用超纯水离心洗涤至溶液 ｐＨ值在 ６ ～７左右。将产物（ＧＯ）在 ６０℃条件下真空干燥箱中进行干 燥，研磨成粉末状保存备用。
第 １期
娄晓瑜，等：低温等离子体制备石墨烯及其性能研究
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低温等离子体制备石墨烯及其性能研究
娄晓瑜１，叶慧圆１，胡 蓉１，周鑫岿１，张 媛１，罗祖云１，２
（１．福州大学 至诚学院，福建 福州 ３５０００２；２．福州大学 石油化工学院，福建 福州 ３５０１１６）
摘要：本文以石墨为原料采用改进的 Ｈｕｍｍｅｒｓ法制备 ＧＯ，并采用低温等离子体对所制备的氧化石墨烯进行还原得到还原石墨烯。通过 扫描电镜（ＳＥＭ）、透射电镜（ＴＥＭ）、傅里叶变换红外（ＦＴ－ＩＲ）、和 Ｘ－射线衍射（ＸＲＤ）等手段对氧化石墨烯及还原石墨烯进行了表征， 结果表明 ＧＯ经过 Ｎ２、Ａｒ等离子体处理后均得到了有效的还原。 关键词：氧化石墨烯；等离子体；还原石墨烯 中图分类号：ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）０１－０００３－０４
ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＧｒａｐｈｅｎｅＰｒｅｐａｒｅｄｂｙＬｏｗ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｌａｓｍａ
ＬｏｕＸｉａｏｙｕ１，ＹｅＨｕｉｙｕａｎ１，ＨｕＲｏｎｇ１，ＺｈｏｕＸｉｎｋｕｉ１，ＺｈａｎｇＹｕａｎ１，ＬｕｏＺｕｙｕｎ１，２
（１．ＺｈｉｃｈｅｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１６，Ｃｈｉｎａ）
１．２ 还原氧化石墨烯 ＲＧＯ的制备
氧化石墨烯的还原在电弧放电等离子体装置内进行，该装 置主要由自行设计加工的耐高温玻璃管和电极两部分组成，如 图 １所示。
将 ＧＯ粉末放置在电极下方的多孔筛板上，在启动等离子 电源之前，向反应装置内以 １Ｌ／ｍｉｎ通入 ２ｍｉｎ反应气体以排 空管内的空气。在常压环境下，调节输入等离子发生电源的电 压，调节等离子发 生 电 源 频 率，引 发 两 电 极 之 间 出 现 电 弧 放 电 产生等离子体。控制通入气体流速，使得 ＧＯ粉末通过放电电 弧，在 ＧＯ粉末通过放电电弧即观察到 ＧＯ粉末颜色加深并且 变得蓬松。不同气氛（Ｎ２、Ａｒ）等离子体条件下得到的石墨烯分 别标记为 ｒＧＯ－Ｎ２、ｒＧＯ－Ａｒ。
石墨烯由于单原子厚度的二维平面结构使其表现出独特 的物理化学性质，使得石墨烯基材料在诸多领域均表现出巨大 的应用潜能，如 能 源 存 储 ［１－２］、透 明 电 极 ［３］，锂 离 子 电 池 ［４］、太 阳能电池 ［５］、燃 料 电 池 ［６］、建 筑 材 料 ［７］等。因 此，进 行 高 质 量、 大规模化石墨烯制备工艺的研究具有重要的意义。到目前为 止，人们已经开发了许多制备石墨烯的方法。如最初的微机械 剥离石墨法 ［８］、外延生长法 ［９］、化 学 气 相 沉 积 法 （ＣＶＤ）［１０］、电 化学法［１１］、氧化还原法 等 ［１２］ 方法。低温等离子体技术由于其 环境友好、能耗低 等 优 点，已 被 广 泛 用 于 石 墨 基 材 料 的 制 备 过 程。如孙栋梁［１３］利用等离子体技术获得了稳定性和导电性能 较佳的炭材料。Ｋｅｕｎ［１４］利用 Ｈ２／Ａｒ等离子气氛得到高质量的 单壁碳纳米管材料。冷娴等［１５］以可膨化石墨为原料，通过微波 等离子体混合工艺制得了多层的纯度和结晶度较高的石墨烯 产品。林成等［１６］通过微波等离子处理还原氧化石墨烯制备基 于石墨烯的复合材料作为超级电容器的电极材料，具有较好的 储能性能。赵铨［１７］通过低温等离子合成了 Ｆｅ３Ｏ４ 和石墨烯的 复合材料，并研究了该复合材料的储锂性能。以往的研究虽然 在一定程度上改善了石墨烯的制备工艺，但是制备过程往往不 是条件比较苛刻，就 是 高 能 耗，环 境 污 染 严 重 且 大 多 过 程 不 是 连续化制备，产品的产量往往较低，且产品不稳定。因此，探究 更加合适的石墨烯制备新工艺，是实现石墨烯工业化应用的重 要内容。本文采用改进的 Ｈｕｍｍｅｒｓ法得到 ＧＯ，利用电弧放电 等离子体还原的方法得到 ＲＧＯ，并对其性能进行研究。