低成本石墨烯的制備與表征

王常春，孫 蕾，劉中偉，馬玉曉

(1.山東恒華新材料有限公司，山東 臨沂 276000；2.臨沂大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 臨沂 276000)

石墨烯是一種碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，是人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、質(zhì)量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料，在電子、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注和熱烈追捧。

目前，石墨烯的制備方法主要包括微機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨烯化學(xué)還原法和溶液剝離法等。本文以石墨粉為原材料，采用低溫?cái)U(kuò)張法生產(chǎn)石墨烯，主要原理如圖1。

圖1 低溫?cái)U(kuò)張法生產(chǎn)石墨烯原理

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

石墨粉(粒徑80目，純度99%，青島天和達(dá)石墨有限公司生產(chǎn))；金屬鈉(工業(yè)級(jí)，山東默銳科技有限公司生產(chǎn))；液氨(山東祥龍集團(tuán)生產(chǎn))。

1.2 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取46.0 g石墨粉及115.5 g金屬鈉依序加入插層反應(yīng)器中，密封后加入200.0 g液氨，攪拌反應(yīng)，每隔十分鐘記錄一次反應(yīng)壓力及反應(yīng)溫度；反應(yīng)結(jié)束后(待壓力升至最大值并保持半小時(shí)不變)，泄壓回收反應(yīng)尾氣，根據(jù)剩余物料重量計(jì)算液氨消耗量，補(bǔ)充消耗掉的液氨，繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后泄壓回收尾氣，將料放置濕式捕集器中過濾，取過濾粉體，用去離子水清洗至中性，放入260℃烘箱內(nèi)烘干即得石墨烯。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的表征與分析

2.1.1 石墨烯的SEM及AFM測(cè)試及結(jié)果分析

圖2 光學(xué)顯微鏡下(a)和原子力顯微鏡下(b)石墨烯掃描圖

圖2中a為石墨烯在2000倍的SEM圖，b為石墨烯的AFM圖。從SEM圖中可以看出，石墨烯有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，但其片層很薄且片層的長(zhǎng)厚比很大；從AFM掃描結(jié)果可以知道，石墨烯厚度為3.18 nm，根據(jù)單層石墨烯厚度為0.335 nm可知，石墨烯厚度在10層以內(nèi)，屬于少層石墨烯。

2.1.2 石墨烯的EDS測(cè)試與結(jié)果分析

圖3 石墨烯的EDS測(cè)試譜圖

圖3為石墨烯的能譜儀測(cè)試譜圖，從圖中可以看出，石墨烯中含有少量氧、鈉元素，石墨烯采用氨鈉插層法制備過程中引入了鈉元素，氧的含量少于1%，說明石墨烯表面引入的含氧官能團(tuán)少，結(jié)構(gòu)破壞較少。

2.1.3 石墨烯的BET測(cè)試與結(jié)果分析

圖4 石墨烯的BET測(cè)試圖

圖4為采用BET法檢測(cè)石墨烯比表面積的測(cè)試結(jié)果，可以得到石墨烯的比表面積在720 m2/g左右，而單層石墨烯的理論比表面積為2630 m2/g，主要是因?yàn)槭樯賹邮乙讏F(tuán)聚所致。

2.1.4 石墨烯的電導(dǎo)率測(cè)試與結(jié)果分析

圖5 石墨烯的電導(dǎo)率測(cè)試曲線

圖5為ST2722半導(dǎo)體粉末電阻率測(cè)試儀檢測(cè)的石墨烯電導(dǎo)率曲線，可以知道，在壓強(qiáng)為0～20 MPa時(shí)，石墨烯的電導(dǎo)率在9.9×103～1.6×105S/m范圍內(nèi)。石墨烯的電導(dǎo)率隨著壓力的增加逐漸增加。

3 結(jié)論

采用低溫?cái)U(kuò)張法對(duì)石墨插層、膨脹、剝離成功制備了石墨烯粉體，并且對(duì)石墨烯的形貌及性能進(jìn)行了表征和分析，SEM、AFM表明產(chǎn)品為少層石墨烯，石墨烯有團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)；EDS測(cè)試表明，石墨烯氧化較少，保留了較高的結(jié)構(gòu)完整度；BET法測(cè)試及電導(dǎo)率測(cè)試表明，石墨烯具有較高的比表面積及電導(dǎo)率。