石墨烯比表面積及其影響因素研究

劉中偉,王常春,2,孫 蕾,馬玉曉,李東田

(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)

石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的、具有蜂窩狀晶格結構的二維碳質材料,因其具有密度小、比表面積大等特點,而且在力學、電學、光學等方面具有很多獨特而優異的性能,已成為物理、化學和材料科學領域的研究熱點。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46.0g石墨粉及115.5g金屬鈉依序加入插層反應器中，密封后加入200.0g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。采用全自動比表面及微孔分析儀(Autosorb-IQ-XR)測試石墨烯的比表面積。

2 結果與討論

2.1 物料比例對石墨烯比表面積的影響

實驗中所用的物料比例如表1所示，其對石墨烯比表面積的影響如圖2所示。由圖可見，隨著鈉添加量的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加。這是因為，隨著鈉添加量的增加，插入石墨層間的插層劑分子增加，在后期膨脹過程中石墨烯剝離剝離效果更好，石墨烯比表面積增加。

表1 物料比例對石墨烯比表面積的影響

圖2 物料比例對石墨烯比表面積的影響

2.2 插層時間對石墨烯比表面積的影響

實驗中所用的插層時間如表2所示，其對石墨烯比表面積的影響如圖3所示。由圖可見，隨著插層時間的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加。但插層時間超過5個小時后，石墨烯比表面積增加速度變緩。這是因為，隨著插層時間的增加，插入石墨層間的插層劑分子增加，在后期膨脹過程中石墨烯剝離效果更好，石墨烯比表面積增加。但當插層時間超過5個小時后，石墨層間的插層劑分子接近飽和，增長緩慢。

表2 插層時間對石墨烯比表面積的影響

圖3 插層時間對石墨烯比表面積的影響

2.3 烘干溫度對石墨烯比表面積的影響

實驗中所用的烘干溫度如表3所示，其對石墨烯比表面積的影響如圖4所示。由圖可見，隨著烘干溫度的升高，石墨烯的比表面積快速增加。但烘干溫度超過165℃后，石墨烯比表面積不再增加。這是因為，隨著烘干溫度的升高，石墨烯中的水分逐漸蒸發，有利于石墨烯粉體的分散，石墨烯比表面積增加。但當烘干溫度超過165℃后，石墨烯已接近干燥，再繼續提升烘干溫度，石墨烯比表面積不再增加。

表3 烘干溫度對石墨烯比表面積的影響

表3(續)

圖4 烘干溫度對石墨烯比表面積的影響

2.4 pH值對石墨烯比表面積的影響

實驗中所用電解液的pH值如表4所示，其對石墨烯比表面積的影響如圖5所示。由圖可見，隨著電解液pH值的降低，石墨烯的比表面積一開始快速增加。但當電解液的pH值小于10后，石墨烯比表面積增加速度變緩。這是因為，隨著電解液pH值的降低，有利于插層劑分子插入石墨層間，在后期膨脹過程中石墨烯剝離剝離效果更好，石墨烯比表面積增加。但當電解液的pH值小于10后，石墨層間的插層劑分子增加緩慢，進而使得石墨烯比表面積增速變緩。

表4 pH值對石墨烯比表面積的影響

圖5 pH值對石墨烯比表面積的影響

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，測試了石墨烯粉體的比表面積，并對其影響因素進行了分析。實驗表明，隨著鈉添加量的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加；隨著插層時間的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加。但插層時間超過5個小時后，石墨烯比表面積增加速度變緩；隨著烘干溫度的升高，石墨烯的比表面積快速增加。但烘干溫度超過165℃后，石墨烯比表面積不再增加；隨著電解液PH值的降低，石墨烯的比表面積一開始快速增加。但當電解液的PH值小于10后，石墨烯比表面積增加速度變緩。