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 材料科學與工程學院，山東 臨沂 276000)

石墨烯是一種碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是人類已知強度最高、韌性最好、質量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料，在電子、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等諸多領域具有巨大的應用潛力，自2004年被發現以來，引起了世界各國的高度關注和熱烈追捧。

目前，石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、氧化石墨烯化學還原法和溶液剝離法等。本文以石墨粉為原材料，采用低溫擴張法生產石墨烯，主要原理如圖1。

圖1 低溫擴張法生產石墨烯原理

1 實驗部分

1.1 主要原材料

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

1.2 試驗方法

準確稱取46.0 g石墨粉及115.5 g金屬鈉依序加入插層反應器中，密封后加入200.0 g液氨，攪拌反應，每隔十分鐘記錄一次反應壓力及反應溫度；反應結束后(待壓力升至最大值并保持半小時不變)，泄壓回收反應尾氣，根據剩余物料重量計算液氨消耗量，補充消耗掉的液氨，繼續反應，反應結束后泄壓回收尾氣，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℃烘箱內烘干即得石墨烯。

2 結果與討論

2.1 石墨烯的表征與分析

2.1.1 石墨烯的SEM及AFM測試及結果分析

圖2 光學顯微鏡下(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，石墨烯有一定的團聚現象，但其片層很薄且片層的長厚比很大；從AFM掃描結果可以知道，石墨烯厚度為3.18 nm，根據單層石墨烯厚度為0.335 nm可知，石墨烯厚度在10層以內，屬于少層石墨烯。

2.1.2 石墨烯的EDS測試與結果分析

圖3 石墨烯的EDS測試譜圖

圖3為石墨烯的能譜儀測試譜圖，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少，結構破壞較少。

2.1.3 石墨烯的BET測試與結果分析

圖4 石墨烯的BET測試圖

圖4為采用BET法檢測石墨烯比表面積的測試結果，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，主要是因為石墨烯為少層石墨烯，且易團聚所致。

2.1.4 石墨烯的電導率測試與結果分析

圖5 石墨烯的電導率測試曲線

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

3 結論

采用低溫擴張法對石墨插層、膨脹、剝離成功制備了石墨烯粉體，并且對石墨烯的形貌及性能進行了表征和分析，SEM、AFM表明產品為少層石墨烯，石墨烯有團聚現象出現；EDS測試表明，石墨烯氧化較少，保留了較高的結構完整度；BET法測試及電導率測試表明，石墨烯具有較高的比表面積及電導率。