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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jié)構(gòu)的二維碳質(zhì)材料,因其具有密度小、比表面積大等特點(diǎn),而且在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面具有很多獨(dú)特而優(yōu)異的性能,已成為物理、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，引起了世界各國的高度關(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，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46.0g石墨粉及115.5g金屬鈉依序加入插層反應(yīng)器中，密封后加入200.0g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。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(jié)果與討論

2.1 物料比例對石墨烯比表面積的影響

實(shí)驗(yàn)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?yàn)椋S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(shí)間對石墨烯比表面積的影響

實(shí)驗(yàn)中所用的插層時(shí)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(shí)間的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加。但插層時(shí)間超過5個小時(shí)后，石墨烯比表面積增加速度變緩。這是因?yàn)?，隨著插層時(shí)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(dāng)插層時(shí)間超過5個小時(shí)后，石墨層間的插層劑分子接近飽和，增長緩慢。

表2 插層時(shí)間對石墨烯比表面積的影響

圖3 插層時(shí)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(shí)驗(yàn)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?yàn)椋S著烘干溫度的升高，石墨烯中的水分逐漸蒸發(fā)，有利于石墨烯粉體的分散，石墨烯比表面積增加。但當(dāng)烘干溫度超過165℃后，石墨烯已接近干燥，再繼續(xù)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(xù))

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(shí)驗(yàn)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(dāng)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?yàn)椋S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(dāng)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(jìn)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(jié)論

采用低溫?cái)U(kuò)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(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)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(shí)間的增加，石墨烯的比表面積逐漸增加。但插層時(shí)間超過5個小時(shí)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(dāng)電解液的PH值小于10后，石墨烯比表面積增加速度變緩。