氧化石墨烯简介

氧化石墨烯简介

氧化石墨烯是只有一层原子层的物质，它是把石墨粉末氧化得到的产物，或者通过剥离石墨层而得到的产物，在横向尺寸上把原先的石墨分子距离扩大了。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺寸（如图1.1氧化石墨烯结构示意图）。实际上氧化石墨烯是一种不同于传统型态的柔软物质，同时可以表现出聚合物及胶体的性能，具有两性分子的特征。氧化石墨烯还具有优越的分散性，这些都是其具有独特的亲水特征的原因。但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯是从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布的两亲性物质。因此，氧化石墨烯可以降低聚合物材料界面间的能量，氧化石墨烯就像是一种界面活剂， 存在于界面之间。氧化石墨烯是由石墨通过一系列的反应制得的，氧化石墨烯的制备主要是通过以下两种方法，其中第一种是化学氧化法，这种方法制备氧化石墨烯的原理是用强酸与石墨反应，将强酸小分子插入石墨层间，再用强氧化剂（如高锰酸钾等）对其进行氧化。而电化学氧化法制备氧化石墨是将石墨电极置于电解槽的阳极和阴极，对电解质进行电解，将得到的产物进行干燥，即得氧化石墨。电化学氧化法操作简单易行，但是一般制备时间较长，存在产量过低的缺点。

氧化石墨烯的制备

（1）氧化石墨的制备：虽然石墨烯在2004年才被正式证明可以独立存在，但是氧化石墨的初步研究可以追述到十九世纪。氧化石墨的制备方法是在1859 年由英国化学家 Brodies首次得到的，他将氯酸钾（KClO3）加入到了发烟硝酸（HNO3）和石墨的混合物之中，发现反应之后的石墨重量有所增加，碳氧原子比为2.2。由于当时的技术水平落后以及实验条件的限制，而他没能继续对该物质进行深入的研究。Brodie法所需要的反应时间长，存在的危险性也相对较大。经过了40年，科学家Standenmaier在反应体系中加入浓硫酸，浓硫酸的加入使得反应体系中氢离子增多，酸性增强，反应速率也较Brodie有所加快，但是石墨被氧化的程度与Brodie 法相同，碳氧原子比为2.25。Standenmaier法对石墨的氧化程度改变不是很大，但是有效地缩短了实验的反应时间，在安全性上也有所提高。又经过了60年的发展，科学家Hummer在Standenmaier法基础上继续改进，将氯酸钾更换为氧化剂高锰酸钾（KMnO4）。整个实验是将浓硫酸加入

到高锰酸钾和石墨的混合物中，高锰酸钾与浓盐酸反应生产强氧化剂七氧化二锰，七氧化二锰氧化性更高于高锰酸钾，在实验中实际是由七氧化二锰氧化石墨的，通过改进发现，石墨的氧化程度比Brodie法和Standenmaier法相比有了明显的提高，碳氧比达到了2.89，且实验反应时间短，过程安全，对环境污染也相对较小。其中Hummers法的制备过程的时效性相对较好，其制备过程相对前两种方法安全系数得到了提高，因此Hummers法是目前制备氧化石墨烯最常用的一种方法。

（2）氧化石墨剥离：石墨经过强氧化之后，变成了一种由氧化石墨烯片通过范德华力相互吸引层层叠加的三维结构，而实验过程需要氧化石墨烯薄片，故需要克服分子间的相互作用力，将氧化石墨烯片剥离出来，主要有有超声剥离法和热膨胀剥离法两种方法。

热膨胀剥离法是使氧化石墨层间的含氧官能团例如-OH，-COOH 在急速高温条件下迅速分解成二氧化碳和水蒸气，这些气体的大量产生使层间的蒸汽压迅速增大，直到大于层间的范德华力时，氧化石墨发生膨胀，并最终剥离，在此过程中由于含氧官能团的部分缺失使氧化石墨烯的导电性有略微的提高。热膨胀剥离得到的氧化石墨烯剥离不完全，同时会造成氧化石墨烯表面一些含氧官能团的损失。