石墨烯的制备及其电化学性能

万方数据
还原制得石墨烯：研究了石墨烯的双电层容量。

１实验
１．１石墨烯的合成
采用改进的Ｈｕｍｍｅｒｓ方法¨０喇备氧化石墨。

将２０ｇ５０目石墨粉、１０ｇ过硫酸钾和１０ｇ五氧化二磷加入８０℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却６ｈ以上，洗涤至中性，干燥。

将干燥后的样品加入０℃、２３０ｍＬ的浓硫酸中，再加入６０ｇ高锰酸钾。

混合物的温度保持在２０℃以下，然后在３５℃的油浴中保持２ｈ后，缓慢加入９２０ｍＬ去离子水。

１５ｍｉｎ后，再加入２．８Ｌ去离子水（其中含有５０ｍＬ浓度为３０％的双氧水），之后混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用５Ｌ浓度为１０％的盐酸进行洗涤、抽滤、干燥即得到氧化石墨。

将Ｏ．５ｇ氧化石墨放入烧杯中加入２００ｍＬ去离子水，超声ｌｈ，得棕黄色均一透明溶液，成为均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液。

将获得的溶液放入５００ｍＬ三颈瓶中，水浴８０℃加热，加入５ｇ硼氢化钠还原２ｈ，最后得黑色絮状沉淀，洗涤、抽滤、干燥得到石墨烯粉末。

１．２结构表征
氧化石墨粉末直接同定在样品台上在Ｓ－４８００扫描电子显微镜（ＳＥＭ）下观察。

采用Ｍａｌｖｃｎ公司的ＤＴＳ光散射粒径分布仪以动态光散射法测试分散后氧化石墨烯的粒径大小及分布。

从分散液中取液滴于样品台上。

干燥后用美国ＤＩ公司ＮＡＮＯＳＣＯＰＥ－４型原子力显微镜（ＡＦＭ）对氧化石墨烯结构进行观察和分析。

用ＢＥＴ吸附仪测石墨烯的比表面积。

１．３电化学性能测试
取一定量石墨烯，加入３％聚四氟乙烯粘结剂，将混合物置于玛瑙研钵中充分研磨，然后在５ＭＰａ下将混合物压制在泡沫镍上，压制成厚度约为Ｏ．５ｍｍ、直径为１２．０ｍｍ的圆形膜片，干燥后编号称重，按照每片电极的质量计算石墨烯的准确含量。

将两片电极分别作阴极和阳极，聚丙烯微孔膜作为隔膜，使用５ｍｏＦＬ的ＫＯＨ溶液作为电解液组成电容器。

使用上海正方电子仪器厂生产的ＤＣ一５型恒电流电池测试仪和ＺＦ－９循环伏安扫描仪对超级电容器进行了电化学性能测试，控制扫描（充放电）电压在Ｏ～０．９Ｖ。

单电极比电容由下式计算：
ｃ＝岩ｖ㈣
，＂△ＩｌＪ式中：Ｃ为单电极的比电容，Ｆ／ｇ；，为充放电电流，Ａ；Ａｔ为充放电时间，ｓ；ｒｔｌ为单个电极中石墨烯的质量，ｇ；ＡＶ为充放电时间内电压的变化，Ｖ。

２结果与讨论
２．１石墨烯的结构与比表面积
图１为用扫描电镜获得的氧化石墨粉末的形貌，表明不经过外力分散的氧化石墨仍然呈同体状态，但已有部分薄层出现，认为在氧化、清洗和干燥过程中导致部分层片剥离，石墨的表面出现明显皱褶，可能是氧化后含氧官能团使层片之
２０１０．２Ｖ０１．３４Ｎｏ．２
图１氧化石墨扫描电镜（ＳＥＭ）Ｉ羽像
Ｆｉｇ．１ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｏｘｉｄｅ
问的作用力减弱所致。

图２所示为用ＡＦＭ观察的氧化石墨烯形貌，其片层厚度大约为１．０ｎｎａ，片层宽度大约０．４ｇｍ左右。

尽管石墨晶体的层间距是０．３３４ｎｎｌ，但考虑到氧化后官能团所占据的体积以及石墨烯与基体及探针之间的作用力没有石墨片层之间大，同时由于单层石墨烯的皱褶起伏，使其在ＡＦＭ下“看”起来比较厚。

Ｓｔａｎｋｏｖｉｃｈ认为１．０ｎｎｌ基本就是单层氧化石墨层的厚度【９】。

可见氧化石墨烯在水中经过超声分散后可以以单分子层稳定存在。

１７８
Ｄ／１．ｔｍ
（－）单片层线扫描；（ｂ）厚度分析
图２氯化石墨烯在ＡＦＭ下的片层结构
Ｆｉｇ．２ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅｌａｙｅｒｓｕｎｄｅｒＡＦＭ激光粒度测试的是粒子在特定视觉上的几何尺寸，只有对球形颗粒才能反应真实尺寸，而氧化石墨烯片层在悬浮液中由于布朗运动会产生翻转，所以粒径分布主要反应的是石墨烯片层与激光束夹角从０。

＂－－９０。

视角上的几何尺寸，由于石墨烯并非刚性的平面。

很容易弯曲和形成皱褶，所以观测到石墨烯厚度的几率是非常低的，基本上反应的是石墨烯单片层或叠加的宽度。

图３为氧化石墨烯悬浮液激光粒度分布曲线，可见，片层大部分集中在ｌｏｏ～ｌ０００ｎｍ之间．峰值在４００姗，与ＡＦＭ测试结果基本一致，反映了大多数氧化石墨
烯层片在溶液中能够分散成单片层结构。

少部分分布在
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石墨烯的制备及其电化学性能
作者：杨常玲， 刘云芸， 孙彦平， YANG Chang-ling， LIU Yun-yun， SUN Yan-ping
作者单位：杨常玲,YANG Chang-ling(东华大学化学化工与生物工程学院,上海,201620;太原理工大学化工系,山西,太原,030024)， 刘云芸,LIU Yun-yun(东华大学材料科学与工程学院,上海
,201620)， 孙彦平,SUN Yan-ping(太原理工大学化工系,山西,太原,030024)
刊名：
电源技术
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF POWER SOURCES
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