氧化石墨烯的制備

大學生創(chuàng)新訓練項目研究報告項目名稱：氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯的制備及其吸附性的研究項目類型：一般項目項目年度： 2014年項目負責人：李柯學號：32012080015負責人院（系）： 安全與環(huán)境工程學院環(huán)境工程系專業(yè)（方向）：環(huán)境工程項目組成員：楊夢凡、楊舒、盧光遠指導教師：任冬梅教務處制二〇一五年摘要石墨烯是由單層碳原子排列組合而成，呈六邊形網狀結構，因其特殊的二維結構表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質。而氧化石墨烯由于在表面及邊緣上大量含氧基團的引入，易于修飾與功能化，且保持著化學穩(wěn)定性。本文采用改良hummers法制備氧化石墨烯。本文采用改良hummers法制備氧化石墨烯。改進后制備較高氧化程度的氧化石墨的原料：天然鱗片石墨1g，濃硫酸23ml，高錳酸鉀3g，硝酸鈉0.5g，30%雙氧水10ml，35%的鹽酸，蒸餾水若干（實驗中采用了多組不同的原料用量配比，過程記錄以此組數(shù)據(jù)為例）。并得到如下結論：制取氧化石墨烯時，一定范圍內，天然鱗片石墨用量減少可以提高氧化程度；硝酸鈉用量的變化對石墨烯氧化程度影響不大；適度增加高錳酸鉀和雙氧水的用量同樣可以提高氧化程度。實驗過程中，高錳酸鉀對石墨烯的氧化起著至關重要的作用，加入高錳酸鉀時長時間緩慢增加對石墨烯氧化程度的效果比一次性直接加入要好。改進后的方法有利于提高實驗室合成氧化石墨烯的效率，一定程度上降低了實驗操作的難度。制取磁性氧化石墨烯的過程中，是在強堿性（PH>12）的環(huán)境下，讓氧化石墨烯與FeCl3和FeCl2水浴恒溫，使生成的納米Fe3O4直接鑲嵌復合到氧化石墨烯上。最后在不同濃度的PH條件下測得氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯對甲基橙和重金屬離子的吸收。關鍵詞：氧化石墨烯、磁性氧化石墨烯、吸附性

中溫反應階段：把冰浴換成35oC的水浴鍋，打開電子攪拌器上的恒溫開關，持續(xù)攪拌并恒溫在35oC90分鐘?，F(xiàn)象：反應體系變成墨綠色，混合物非常粘稠。高溫反映階段：向錐形瓶中緩慢加入100oC的蒸餾水，共46ml10分鐘加入完畢，控制水域溫度維持在98oC反應15分鐘，并持續(xù)攪拌?，F(xiàn)象：加入蒸餾水之后劇烈放熱，呈現(xiàn)出紫紅色。混合物從粘稠狀態(tài)逐漸變稀，顏色變?yōu)楹稚?。高溫反應結束后，水域冷卻至室溫。然后再向體系中加入140ml蒸餾水以及10ml30%的雙氧水，10分鐘后加入40ml35%的鹽酸，混合均勻后靜置是不溶物沉積于錐形瓶底部?，F(xiàn)象：靜置分層后，上層為棕色液體，下層為黃色顆粒和黑色顆粒的混合物。2.2.2分離現(xiàn)將得到的混合物進行多次抽濾出去過量的酸，然后低速離心洗滌除去副產物，將洗滌后呈中性的氧化石墨分散于水中，超聲震蕩剝離30分鐘，超聲結束后在10000轉每分鐘的轉速下離心10分鐘，得到的底層淤泥狀物質即是氧化石墨烯。2.2.3電阻率測定石墨用量改變時：由于石墨在被強氧化劑緩慢氧化的過程中，含氧的官能團結合到石墨層之間，使層面內的二鍵斷裂，抑制了自由電子的移動，因而導電性能逐漸下降。表1列出了高錳酸鉀用量3g、硝酸鈉用量0.5g、濃硫酸用量23ml和低溫反應時間相同的條件下，改變石墨用量(分別為0.5g、10g、1.5g和2g)時產物的電阻率?？梢婋S著石墨用量的增加，產物的電阻率逐漸降低，氧化程度逐漸提高。表1石墨用量/g0.51.01.52.0電阻率/Ω·m1451.7622.4108.199.5（2）硝酸鉀用量改變時：表2列出了未加高錳酸鉀氧化劑時，硝酸鈉用量不同的產物的電阻率?？梢?，盡管硝酸鈉的用量增加了3倍，產物的電阻率卻沒有太大的變化。雖然兩者的電阻率都高于粒度為44微米的天然磷片石墨的電阻率(151*10-6Ω·m)，但相對于氧化程度較高的氧化石墨來說，電阻率上升的幅度卻很小，表明硝酸鈉在反應體系中所起的氧化作用是非常有限的表2硝酸鉀用量/g0.52電阻率/10-6Ω·m448.7945.5高錳酸鉀用量改變時：表3對比列出了高錳酸鉀用量不同時產物的電阻率。可見氧化劑高錳酸鉀用量愈多，產物的電阻率也愈大，石墨的氧化程度也愈高。表3高錳酸鉀/g1.536電阻率/Ω·m0.4552.4271.53.磁性氧化石墨烯（Fe3O4型）的制備3.1原料和儀器原料：氧化石墨烯，氯化鐵晶體，氯化亞鐵晶體，蒸餾水，固體氫氧化鈉儀器：四口圓底燒瓶，冷凝管，液氮控制裝置，電子天平，恒溫水浴鍋，機械攪拌器，差速離心機3.2實驗過程及實驗現(xiàn)象3.2.1制取先稱量好如下藥品，氧化石墨烯（200mg）、FeCl24H2O（172.2mg，0.866mol，Wt=198.81）和FeCl3（280.95mg，1.732mol，Wt=162.2），并制配好10mol·L-1的NaOH溶液，備用。在四口圓底燒瓶中，將氧化石墨烯（200mg）、FeCl24H2O（172.2mg，0.866mol，Wt=198.81）和FeCl3（280.95mg，1.732mol，Wt=162.2）溶于200ml蒸餾水中。緩慢滴加1.5ml（10molL-1）NaOH溶液，溶液的pH值至大于12。四口分別接入冷凝管、溫度計、機械攪拌棒、氮氣管。然后將混合物至于水浴恒溫鍋中加熱至80℃，機械攪拌1h。反應完畢，繼續(xù)通氮氣直至反應體系冷卻至室溫。將冷卻后的懸濁液倒入離心管中，10000r/min的離心機下離心10分鐘。得到的下層沉淀物即為磁性氧化石墨烯。（裝置參考下圖，機械攪拌請參考石墨烯制備裝置）氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯對甲基橙和重金屬鉻離子的吸附性能的測試5.1測定兩種石墨烯對甲基橙試劑的吸附能力采用分光光度法測定。先制備好3份濃度相同的甲基橙溶液于比色管中，其中一只加入少量氧化石墨烯，一只加入少量磁性氧化石墨烯，搖勻靜置，使其充分吸附。20分鐘后離心分離出石墨烯得到上層清液。分別在3只顯色管中添加顯色劑2毫升，約放置5到10分鐘，于波長460nm處分別測定其吸光度，繪制標準曲線。試驗配制溶液靜置待測。改變甲基橙濃度測量3次取平均值。5.2測定兩種石墨烯對重金屬離子的吸附能力配置3份相同濃度的重鉻酸鉀標準溶液置于50毫升比色管中，去離子水稀釋至標線，添加硫酸溶液0.5毫升，磷酸溶液0.5毫升l，搖勻靜置。其中一只加入少量氧化石墨烯，一只加入少量磁性氧化石墨烯，搖勻靜置，使其充分吸附。20分鐘后離心分離出石墨烯得到上層清液。添加顯色劑2毫升，約放置5到10分鐘，于波長540nm處分別測定其吸光度，繪制標準曲線。試驗配制溶液靜置待測。6結論（1）制取氧化石墨烯時，一定范圍內，天然鱗片石墨用量減少可以提高氧化程度；硝酸鈉用量的變化對石墨烯氧化程度影響不大；適度增加高錳酸鉀和雙氧水的用量同樣可以提高氧化程度。（2）實驗過程中，高錳酸鉀對石墨烯的氧化起著至關重要的作用，加入高錳酸鉀時長時間緩慢增加對石墨烯氧化程度的效果比一次性直接加入要好。（3）按照物質的量比天然鱗片石墨1，高錳酸鉀0.2264，濃硫酸0.4243，低溫反應時間超過2h，高溫反應過程中采取水域恒溫的方式將反應體系的溫度控制在100℃以內能更加有效的提高反應的氧化程度。（4）FeCl2與FeCl3的摩爾比應略大于2：1，反應結束后應保持繼續(xù)通氮氣直到反應體系冷卻至室溫，以防止二價的亞鐵離子被氧化，提高磁性氧化石墨烯的產量。（5）通過以上兩折線圖可以分析得出PH變化對氧化石墨烯對甲基橙吸附性的影響不大。而磁性氧化石墨烯在弱堿性的時候吸附性能大于酸性的時候。（6）對鉻離子的吸收則是酸性條件下較好，且磁性氧化石墨烯的吸附能力強于氧化石墨烯。磁性氧化石墨烯對鉻離子的最佳吸收PH為2。6.參考文獻[1]MatsuoY，TaharaK，SugieY.Carbon1997，35(1)：113-120[2]DingRF，HuY，GuiZ，etal.PolymerDegra