石墨烯的制备与表征

石墨烯的制备方法及其性能表征研究石墨烯是一种二维晶体材料，由单层碳原子构成的六角形排列。

它具有许多特殊的物理和化学性质，如极高的导电性和热导率、强的力学性能和化学稳定性等。

这些性质使得石墨烯在电子学、光电器件、催化、传感器、储能等领域具有广泛的应用前景。

本文主要介绍石墨烯的制备方法及其性能表征研究。

石墨烯的制备方法有多种，如机械剥离法、化学气相沉积法、热分解法、还原氧化石墨烯法等。

其中，机械剥离法是最早的一种方法，它是通过粘贴胶带或用一个针尖插入石墨进行石墨片剥离得到单层石墨烯。

这种方法简单易行，但是只能得到小面积的石墨烯晶体，并且剥离过程中会引入大量缺陷。

化学气相沉积法是一种比较常用的石墨烯制备方法。

它可以通过将金属衬底（如铜、镍等）置于高温下，加入一定的碳源（如甲烷、乙烯等）和氢气，使得石墨烯生长在金属下方，并在后续步骤中通过化学腐蚀去除金属衬底得到石墨烯。

热分解法则是将高温下的芳香烃分子裂解成碳原子，生成石墨烯的方法。

这种方法可以得到高品质的石墨烯，并适合进行大规模合成。

还原氧化石墨烯法则是将氧化的石墨烯还原成石墨烯。

这种方法可以通过化学还原、热还原等方式实现，但仍然存在一定的缺陷和挑战。

石墨烯的性能表征研究主要包括光学、电学、力学等方面。

这些性质的测试需要使用一系列的实验技术和仪器，如拉曼光谱、透射电镜、扫描电子显微镜、压电力学仪等。

拉曼光谱是石墨烯最常用的表征手段之一，它可以通过检测碳原子之间的振动模式获取石墨烯晶体结构的相关信息。

透射电镜则可以用来观察石墨烯的颗粒大小、形貌和晶体结构等，是一种非常常用的性能表征方法。

扫描电子显微镜和压电力学仪则可以用来研究石墨烯的力学性能、导电性能等。

在石墨烯的应用方面，目前已经涌现出了许多有趣的研究成果。

石墨烯晶体的高导电性和热导率使得其成为一种优秀的传感元件，如可以应用于气体和生物传感器等领域。

此外，石墨烯的力学性能也很优异，有望作为一种高强度材料应用于多种机械领域。

石墨烯的制备及表征李亮;胡军;班兴明;陈郁勃【摘要】为了得到高性能的石墨烯材料,采用水合肼、茶多酚与抗坏血酸3种不同的还原剂将氧化石墨烯还原制备得到石墨烯.通过红外光谱、X射线衍射、接触角对产物的结构进行表征,采用四探针法测试电导率,循环伏安法和计时电位法测试电化学性能.水合肼、茶多酚与抗坏血酸这3种还原剂都能有效地将氧化石墨烯结构中的亲水基团去除,得到疏水的石墨烯.通过比较3种还原剂制备的石墨烯的电化学性能,发现通过茶多酚还原得到的石墨烯的导电性能最好,当电流密度为3 A/g时,茶多酚还原得到的石墨烯电容性能达到609 F/g,保持率达到87.71％.这表明由茶多酚还原得到的石墨烯具有更为优良的电化学性能.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2014(036)008【总页数】5页(P46-50)【关键词】石墨烯;茶多酚;电化学性能【作者】李亮;胡军;班兴明;陈郁勃【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】O633石墨烯因其优异的电学﹑光学和机械性能被科学界称作奇迹材料[1-2]，吸引了众多科学家和大量科研资金的投入，石墨烯的发现更是获颁 2010年度诺贝尔物理学奖[3-5].石墨烯最常用的制备方法是氧化还原法，步骤是先将石墨氧化成氧化石墨，再将氧化石墨剥离成氧化石墨烯，最后将氧化石墨烯还原成石墨烯.过程中常用到的氧化剂为高锰酸钾，高氯酸等，常用的还原剂为水合肼，联氨等.本文分别采用传统的水合肼，茶多酚，抗坏血酸作为还原剂，将氧化石墨烯还原成石墨烯，并将不同还原剂还原得到的石墨烯产物的电化学性能进行对比研究.1 实验部分1.1 石墨烯的制备方法a.水合肼作为还原剂：取一定量氧化石墨烯放入30 mL蒸馏水中，超声分散30 min后加水稀释至100 mL.用25%的氨水调节pH=10.向氧化石墨烯悬浮液中加入2 mL水合肼，使其混合均匀.加热至90 ℃，搅拌5 h.将所得产物过滤，用蒸馏水洗涤，真空60 ℃干燥24 h.密封保存，备用.b.茶多酚作为还原剂：取2 g绿茶粉加入到100 mL蒸馏水中，煮沸.过滤掉剩余茶叶粉末，绿茶水备用.取一定量氧化石墨烯加入到上述绿茶水中，加热至90 ℃，搅拌10 h.将产物过滤，用蒸馏水洗涤，真空60 ℃干燥24 h.密封保存，备用.c.抗坏血酸作为还原剂：取一定量氧化石墨烯放入30 mL蒸馏水中，超声分散30 min后加水稀释至100 mL.取一定量维生素C片研磨成粉末，加入氧化石墨烯悬浮液中，搅拌使其混合均匀.加热至90 ℃，搅拌24 h.将所得产物过滤，用蒸馏水洗涤，真空60 ℃干燥24 h.密封保存，备用.1.2 石墨烯的表征红外光谱(FT-IR)测试采用TJ270红外光谱仪，X射线衍射(XRD)测试采用BrukerD8 X射线粉末衍射仪.电化学性能测试是以1 moL/L KCl溶液为电解液，将产物固定在铂盘电极上作为工作电极，铂丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极的三电极体系中进行.2 结果讨论与分析2.1 红外光谱分析(FT-IR)图1为采用不同还原剂还原氧化石墨制备的石墨烯的红外光谱图.从图中可以看出不同还原剂制备的石墨烯光谱图均在3 450 cm-1和1 632 cm-1处出现吸收峰，这与石墨原料的红外光谱图基本一致[6]，而未出现氧化石墨中一些极性基团的吸收峰，说明在还原剂的作用下，石墨烯中的含氧官能团大大减少，还原效果较好. 注：(a)水合肼，(b)茶多酚，(c)抗坏血酸图1 采用不同还原剂制备的石墨烯的红外光谱图 Fig.1 FTIR spectrum of graphene2.2 X-射线衍射分析(XRD)图2为产物的X射线衍射谱图，图中在2θ角为22.4°和7.2°出现了衍射峰，22.4°处的衍射峰对应石墨的(002)晶面，说明部分氧化石墨中的含氧官能团被除去了，同时说明石墨烯微晶排列较为无序或者存在较大的晶格缺陷，无法回到有序排列的状态.7.2°可能对应未氧化完全的氧化石墨(001)晶面的衍射峰.注：(a)水合肼，(b)茶多酚，(c)抗坏血酸图2 采用不同还原剂制备的石墨烯的XRD图 Fig.2 XRD patterns of graphene2.3 电导率表1为3种不同还原剂制备的石墨烯的电阻率和电导率数据.石墨在强氧化剂的作用下，其结构中的sp2结构和共轭π键被破坏，形成羟基，羧基及环氧基等极性官能团，形成sp3杂化的氧化石墨.结构层中的共轭π键被破坏，导致氧化石墨是绝缘体.氧化石墨经过还原剂还原后，其结构中的极性官能团被除去，恢复表面共轭结构，从而恢复期导电性.图中数据也说明了这一点，石墨烯(茶多酚)的电导率为2.604 S/cm，其导电性最好.表1 3种不同还原剂制备的石墨烯的电导率数据Tabel 1 Conductivities of graphene prepared by three different reducing agents样品电阻率/(Ω/cm)电导率/(S/cm)石墨烯(水合肼)0．5961．678石墨烯(茶多酚)0．3842．604石墨烯(抗坏血酸)0．472．1282.4 接触角从表2中可以看出，3种还原剂制备的石墨烯的接触角都大于90°，说明产物是完全疏水的，氧化石墨烯GO层状结构中含有大量的极性基团，例如羟基，羧基，羰基以及环氧基等，大大增强了GO的亲水性能，所以GO是完全溶于水的，可见还原过程GO结构中极性基团还原了，得到了疏水的层状石墨烯.表2 3种不同还原剂制备的石墨烯的接触角数据Tabel 2 Water contact angles of graphene prepared by three different reducing agents样品接触角/(°)石墨烯(水合肼)123．87石墨烯(茶多酚)92．62石墨烯(抗坏血酸)101．992.5 电化学性能测试石墨烯是由碳原子紧密堆积成的准二维层状结构物质，具有优异的电学性质，光学性质以及力学性质等.其结构中未成键的电子可以在晶格中自由移动，使其具有很好的导电性和电容性质，本文通过循环伏安法和恒电流充放电法对石墨烯的电容性质进行研究.图3为通过不同还原剂(分别为水合肼，茶多酚和抗坏血酸)还原氧化石墨制备石墨烯的循环伏安图，扫描速率分别为a:0.01 V/s，b:0.02 V/s，c:0.05 V/s，d:0.1 V/s.石墨烯(水合肼)的循环伏安曲线没有明显的氧化还原峰，并且曲线呈现近似的矩形形状，石墨烯(茶多酚)的循环伏安曲线有微弱的氧化还原峰，但是曲线整体也呈现矩形形状，对于石墨烯(抗坏血酸)曲线呈现规则的矩形，没有明显的氧化还原峰，说明3种还原剂制备的石墨烯材料都具有很好的电容性质.从图3(Ⅳ)中可以看出，石墨烯(水合肼)的循环伏安图面积最小，说明其电容最小，其次电容较小的是石墨烯(抗坏血酸)，循环伏安面积最大的是石墨烯(茶多酚)，说明其比电容最大，电化学性能最好.(Ⅰ)水合肼(Ⅱ)茶多酚(Ⅲ)抗坏血酸(Ⅳ)3种还原剂图3 不同还原剂合成石墨烯的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of graphene reduced由图4(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)中可以看出，3种石墨烯材料的充放电曲线呈现良好的线性关系，并且对称性良好，说明这3种石墨烯材料的充放电可逆性良好，具有良好的电容特性.当电流密度为3 A/g时，根据计算石墨烯(茶多酚)的电容性能最好，其比容量最大，值为609 F/g，石墨烯(抗坏血酸)最大比容量为237.15 F/g，石墨烯(水合肼)的最大比容量为82.5 F/g，这也与循环伏安图计算的结果相一致.说明石墨烯(茶多酚)最适合做超级电容器电极材料.(Ⅰ)水合肼(Ⅱ)茶多酚(Ⅲ)抗坏血酸图4 不同还原剂合成石墨烯的充放电图Fig.4 Constant current charge/discharge curves图5为根据充放电图计算的石墨烯比电容与电流密度关系图.从图5可以看出随着电流密度的增大，比容量值逐渐减小.主要是因为在电流较小的情况下，石墨烯内部较深的孔洞都能发挥双电层电容的性质，使整个电路中的阻抗较小；当电流升高时，由于受扩散控制，石墨烯内部较深的孔不能被完全利用，电路中的阻抗增加，导致比电容下降.图5 根据充放电图计算的石墨烯比电容Fig.5 Constant currentcharge/discharge curves of graphene图6为石墨烯(水合肼)(a)石墨烯(抗坏血酸)(b)和石墨烯(茶多酚)(c)的循环次数图，从图中可以看出3种还原剂制备的石墨烯材料的循环性能很好.石墨烯(茶多酚)的初次放电容量为480.25 F/g，前200圈的比容量有相对较大幅度的损耗，损耗率约为4.14%，循环1 000圈后的放电比容量为451.33 F/g，总容量损耗率为6.02%，说明制备的石墨烯(茶多酚)的稳定性很好，具有很好的循环性能.而石墨烯(抗坏血酸)的初次放电容量为130.7 F/g，循环1 000圈后，放电比容量为114.63 F/g，总容量损耗为12.29%，石墨烯(水合肼)的初次放电比容量为80.4 F/g，循环1 000圈后，放电比容量为70.125 F/g，总容量损耗为12.77%.说明制备的石墨烯材料的电化学性能很好，稳定性良好，具有较好的循环性能.注：(a)水合肼，(b)抗坏血酸，(c)茶多酚图6 还原的石墨烯的循环圈数-电容保持率曲线比较图Fig.6 Comparison of cycle number and retention rate of capacitance of graphene3 结语分别用水合肼，抗坏血酸和茶多酚还原得到石墨烯，并分别测试了它们的性能，茶多酚还原得到石墨烯的导电性能最好，电容性能也最好.石墨烯具有很好的导电性，化学稳定性及热力学稳定性，有望被用于电子器件构造.致谢此研究受到国家自然科学基金委员会资助和武汉工程大学资金资助，特表感谢！参考文献：[1] LI D,MULLERr M B,GILJE S.Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets[J].Nat Nano,2008,3:101-105.[2] JUNG I,DIKIN D A,PINER R D.Tunable electrical conductivity ofindividual graphene oxide sheets reduced at low temperatures[J].Nano Lett,2008,8:4283-4287.[3] GUO S J,DONG S J,WANG E K.Polyaniline/Pt hybrid nanofibers:high-efficiency nanoelectrocatalysts for electrochemicaldevices[J].Small,2009,5:1869-1876.[4] WANG H L,ROBINSON J T,LI X L.Solvothermal reduction of chemically 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石墨烯的机械剥离法制备及表征
石墨烯是一种新型的二维材料，由碳原子构成的单层原子结构，具有独特的光学、电学、力学性质。

它可以作为电子、磁体、传感器等先进装备的基础材料。

由于石墨烯具有显著的力学强度和气密性，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工程等领域。

石墨烯的制备方法有很多种，其中机械剥离法是一种重要的制备方法。

石墨烯的机械剥离法制备大致分为五步：用金属基底上的溶剂（如乙醇）将石墨烯片压在表面；然后用钻头将石墨烯片分割为许多小片；再使用激光切割将石墨烯片分割成细小片；然后将石墨烯片用溶剂浸渍，让石墨烯片与金属基底分离；最后用电子显微镜观察石墨烯片形态，并对其进行表征分析。

根据石墨烯的机械剥离法制备的结果，可以进行表征分析，以确定其表面形态、尺寸等特性。

由于石墨烯具有较高的热导率和高强度，因此，石墨烯的表面形态和尺寸对于其性能有很大的影响。

首先，可以通过扫描电子显微镜（SEM）对石墨烯片进行表征，以查看其表面形态和尺寸。

其次，通过X射线衍射（XRD）可以测定石墨烯片的晶体结构，例如晶粒尺寸和晶面间距等。

此外，通过X射线光电子能谱（XPS）可以测
定石墨烯表面的化学性质，其中可以获得石墨烯表面的原子组成和化学结构信息。

此外，还可以用透射电子显微镜（TEM）来表征石墨烯的原子结构。

通过对石墨烯的机械剥离进行表征分析，可以确定其表面形态、尺寸和化学性质等，从而为石墨烯的应用提供理论依据。

综上所述，石墨烯的机械剥离法制备是一种常用的制备方法，其表征分析可以准确地测定石墨烯片的表面形态和尺寸以及化学性质，从而为石墨烯的应用提供理论依据。

实验目的：（1）了解石墨烯的结构和用途。

（2）了解氧化后的石墨烯比纯石墨烯的性能有何提升（3）了解Hummers法的原理一、实验原理：天然石墨需要进行先氧化，得到氧化石墨，再经过水合肼的作用下还原，才能得到在水相条件下稳定分散的石墨烯。

石墨的氧化过程采用浓硫酸和高锰酸钾这两种强氧化剂，氧化过程中先加浓硫酸，搅拌均匀后再加高锰酸钾，氧化过程从石墨的边沿进行，然后再到中间，氧化程度与持续时间有关。

氧化过程中要增加石墨的亲水性，以便于分散，分散一般使用超声分散法。

氧化后的氧化石墨烯需要进行离心处理，使得pH值在6到7之间，目的是洗去氧化石墨烯的酸性，根本原因是研究表明氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可以形成稳定的悬浮液。

氧化石墨烯的还原有多种方法，化学还原和热还原等，化学还原采用水合肼，热还原采用作TGA后，加热到200℃，一般大部分的含氧官能团都能除去。

二、实验内容：1、利用氧化还原法制备石墨烯2、对制得的石墨烯进行结构表征三、实验过程：实验利用Hummers法进行实验：1、在三颈瓶外覆盖冰块，制造冰浴环境，并在三颈瓶内放入搅拌磁石；2、将冰状天然石墨4g和硝酸钠2g倒入三颈瓶中；3、将92ml浓硫酸倒入三颈瓶中；4、开启磁力搅拌器，把溶液搅拌均匀后再缓慢加入高锰酸钾12g，在冰浴环境下搅拌3h；5、升温至35℃，保持搅拌0.5h或1h，此时是对石墨片层中间进行氧化作用，氧化程度与持续时间有关；6、加入去离子水184ml，缓慢滴加，保持温度低于100℃，升温至90℃，保温3h，溶液变红；7、加300ml去离子水和30%的双氧水溶液10ml，使得高锰酸钾反应掉，静置一晚，倒掉上层清液；8、对溶液进行离心操作7-8次，使得pH值在6-7；9、减压蒸馏，进行还原反应得到石墨烯；10、对得到的产物进行结构表征。

六、实验结果及讨论：(A)氧化后的氧化石墨烯悬浮液 (B) 还原过程加热温度对氧化石墨烯含量的对比记录(C)石墨烯的XRD（D）石墨烯的SEM图有（B）可知随着温度的上升，氧化石墨烯反应得越多，占比越低。

电化学剥离法制备石墨烯及表征
电化学剥离法是一种制备单层石墨烯的方法，其基本原理是利用电解液中的化学物质对石墨的氧化作用，使其分解成单层石墨烯，再通过电场或其他方式将其分离。

该方法具有简单、成本低、可批量生产等优点。

下面是电化学剥离法制备石墨烯的基本步骤：
1.将石墨片置于电解液中（如硫酸、氢氟酸等），使用电极进行电解。

在电解的过程中，石墨会发生氧化反应，使原本属于石墨的原子层逐层被氧化物剥离。

逐渐形成单层厚度的石墨烯片。

2.加入表面活性剂，如十二烷基硫酸钠等，分散石墨烯片。

3.将分散后的石墨烯涂到硅衬底上，并进行干燥。

待硅衬底上的石墨烯薄片形成后，就可以进行分离和提取。

4.对薄片进行表征，如扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）等分析手段，观察其形貌和结构，确定其厚度、质量和晶体结构等特征。

电化学剥离法制备的石墨烯具有高质量、单层结构、优良的电学、化学性质等特点，十分适用于各种领域的研究和应用。

石墨烯的制备与表征研究
石墨烯是由碳原子组成的二维材料，其具有极高的强度、导电性和热导率等特性，在各个领域都有着广泛的应用前景。

为了更好地利用石墨烯，石墨烯的制备与表征研究也得到了广泛的关注和研究。

制备石墨烯主要有以下几种方法：
1.化学剥离法
将石墨材料分散在溶液中，通过化学方法分离出单层或少层石墨烯。

2.机械剥离法
利用粘胶带对石墨材料进行多次剥离，最终得到单层或少层石墨烯。

3.热剥离法
将高温下的石墨材料进行剥离，从中得到单层或少层石墨烯。

表征石墨烯主要有以下几种方法：
1.扫描电子显微镜(SEM)
通过对石墨烯的形貌和结构进行观察和分析，进而了解其表面形态特征和质量情况。

2.原子力显微镜(AFM)
通过测量样品表面的原子力，了解石墨烯的厚度、表面形貌等物理信
息。

3.光电子能谱(XPS)
通过分析样品表面的光电子能谱，了解石墨烯的元素组成和化学价态等信息。

综上所述，石墨烯的制备与表征是使用石墨烯的前提条件，只有了解这些基础性的知识才能更好地应用石墨烯进行各种研究和应用，包括电子学、能源、传感器等领域，对人类社会的科学技术发展有着重要的推动作用。

石墨烯制备及表征摘要本文采用液相氧化法制备氧化石墨烯，考察浓硫酸用量，高锰酸钾用量，室温氧化时间及90ºC下氧化时间对氧化石墨生成的影响，初步探讨了石墨的液相氧化过程。

研究结果表明：XRD可表征产物的氧化程度，氧化程度足够高的产物其XRD谱中出现尖锐的氧化石墨面的特征衍射峰。

制备氧化石墨烯的原料为天然鳞片石墨，浓硫酸，高锰酸钾，双氧水。

使用的设备仪器有电子分析天平，搅拌器，恒温水浴箱，真空干燥器，超声波震荡器，离心沉淀机，管式炉。

1 前言石墨在浓硫酸，硝酸，高氯酸等强酸和少量氧化剂的共同作用下可形成最低阶为1阶的石墨层间化合物，这种低阶石墨层间化合物在过量强氧化剂如高锰酸钾，高氯酸钾等的作用下，可继续发生深度液相氧化反应，产物水解后即成为氧化石墨，在制备的过程中浓硫酸等的用量室温，高温反应的时间都对最终产物有较大影响。

因此控制试剂的用量及反应的时间存在较大的难度。

本文就浓硫酸，高锰酸钾的用量，室温及90℃高温的反应时间，和节约试剂等方面对该反应进行了进一步探究，找出了一套更完美的实验方案。

2 实验2.1 氧化石墨烯和石墨烯的制备将10g石墨和适当量浓硫酸和高锰酸钾依次加入500 mL三口烧瓶中，室温反应1h，加入约60ml蒸馏水，再升高温度至90ºC反应，反应一个半小时结束后倒出，加入40ml双氧水反应0.5h后加入大量蒸馏水终止反应。

再将其洗涤至中性后再低温(45°C左右)烘干，即得氧化石墨。

将氧化石墨置于通有氩气的石英管中于560°C膨胀约10min。

再将其缓慢加热(约2°C/min)至1100°C，将氧化石墨还原使其脱除含氧基团，并完全实现层间剥离，生成石墨烯片。

实验流程图如下：2.2 X射线衍射(XRD)X射线衍射分析(XRD)采用荷兰产PHILIPS X’ PERT MPD PRO型转靶X射线衍射仪，阳极Cu靶(CuKα)，工作电压为40KV，电流为30mA。

石墨烯检测报告（一）引言概述：石墨烯作为一种新兴的材料，在科学研究和工业应用领域得到了广泛关注。

本文将就石墨烯的检测方法进行深入探讨，包括石墨烯的制备和表征技术，以及常见的石墨烯探测手段。

正文内容：1. 石墨烯的制备技术- 机械剥离法：通过机械剥离石墨烯原料，如石墨，来获得单层或多层的石墨烯片段。

- 化学气相沉积法：在高温下，通过热解石墨烯前体气体，沉积在衬底上，实现石墨烯的制备。

- 液相剥离法：利用氧化剂或还原剂对石墨进行化学反应，使石墨烯分散在液体中，并通过过滤得到石墨烯材料。

2. 石墨烯的表征技术- 原子力显微镜（AFM）：通过扫描样品表面，测量力的变化，获得石墨烯片层的拓扑结构和高度信息。

- 透射电子显微镜（TEM）：利用电子束穿透样品，观察和分析石墨烯的晶体结构和缺陷情况。

- X射线光电子能谱（XPS）：通过测量材料中的光电子能谱，分析材料的化学成分和电子结构。

- 拉曼光谱：利用激光与样品反射、散射和吸收的变化，分析石墨烯的结构和化学键的振动模式。

- 热重分析（TGA）：通过测量材料随温度的质量变化，分析石墨烯的热分解过程和热稳定性。

3. 石墨烯的电学性质检测- 电导率测量：通过测量石墨烯样品的电阻，计算出其电导率，评估石墨烯的导电性能。

- 能带结构分析：利用光电子能谱等技术，研究石墨烯样品的能带结构，探究其导电机制。

- 场效应晶体管测量：利用场效应晶体管（FET）结构，测量石墨烯的电流-电压特性，评估其在电子器件中的应用潜力。

- 导电性显微镜：结合原子力显微镜，对石墨烯样品进行局部电流密度的测量，探究其导电特性的空间分布。

4. 石墨烯的力学性质检测- 纳米压痕测试：利用纳米压痕仪，测量石墨烯的硬度和弹性模量，评估其力学特性。

- 拉伸测试：通过拉伸试验机，对石墨烯进行拉伸破裂实验，获得其拉伸强度和断裂应变。

- 厚度测量：利用原子力显微镜等技术，测量石墨烯的厚度，评估其层间结构和单层特性的存在情况。

石墨烯的机械剥离法制备及表征石墨烯是由晶体石墨经过适当处理制备出来的二维碳简析结构，它在纳米技术领域具有重要地位和广泛的应用前景，因此研究其制备方法成为二维碳简析结构材料学研究的重要内容。

目前，石墨烯制备中有一种机械剥离法，它可以快速、简便地制备出高纯度的石墨烯，了解其制备方法、表征方法及机理对于石墨烯的应用具有重要的影响。

一、石墨烯的机械剥离法制备石墨烯的机械剥离法主要分为液相法和固相法，其中液相法即液体润滑剥离法，它是将原料石墨加入含有溶剂的混合液中，通过利用某种机械设备将石墨层层剥离，最终可以制备出纳米级的石墨烯；液体润滑下剥离法是在固相状态下，利用可溶性有机溶剂将原料石墨表面润湿，然后由机械装置将石墨剥离，最终可以制备出纳米级的石墨烯。

二、石墨烯的表征方法石墨烯表征主要包括密度法测定、X射线衍射法测定、透射电子显微镜电镜、描量子点描技等。

1.度法：用高分子材料构成的石墨烯的结构分析，其中的密度法是目前常用的一种定量测定方法，它可以用来测量石墨烯的平均厚度和薄片表面积。

2. X射线衍射法：X射线衍射法是活动碳原子在晶体结构中构成的类似“网状模型”，利用X射线衍射技术可以测定晶体结构的细微细节，确定石墨烯的碳原子组成、晶体结构以及晶粒尺寸等信息。

3.射电子显微镜：透射电子显微镜可以用来观察石墨烯的尺寸和形状，确定碳原子的排列和石墨烯的层状结构以及石墨烯表面的细节等信息。

4.描量子点技：描量子点技可以快速准确地测定石墨烯中碳原子的结构与形状，有助于识别石墨烯表面的表面区域结构异质性，进而获得完整的表面形貌信息。

三、石墨烯剥离机理机械剥离法制备石墨烯的机理，主要是利用石墨表面的剥离力与原料石墨表面的润湿性，把石墨表面的原子层剥离出来，形成石墨烯。

通常，转子研磨机由高速旋转的转子，高速旋转的转子将原料石墨的表面原子层剥离出来，在高速的旋转压缩作用下，表面原子层滑移，形成石墨烯薄膜。

综上所述，机械剥离法是一种快速、简便地制备出高纯度石墨烯的方法，可以有效提高石墨烯的制备效率，并可以利用X射线衍射法、透射电子显微镜、描量子点技等表征石墨烯的结构、形状和尺寸，为石墨烯的应用提供有力支持。

摘要石墨烯的制备、表征及石墨烯/氧化锌光催化剂的制备与性能研究石墨烯（Graphene，GR）自从2004年被发现以来，因其理想的二维晶体结构和独特的物理性能而成为研究的热点。

目前，石墨烯的制备方法主要有：微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）溶液还原法。

与其它方法相比，氧化石墨烯溶液还原法具有高产量、低成本和可规模化制备等特点，有望成为规模化制备石墨烯的有效途径之一。

然而在还原过程中常采用的还原剂肼和水合肼具有易爆炸性和强毒性，易对环境造成危害。

因此，需要发现一种环境友好、温和且有效的方法来实现化学还原氧化石墨烯（Chemically Reduced Graphene Oxide，CRGO）的批量制备。

氧化锌（ZnO）因其无毒、成本低等优点被广泛应用于光催化的研究。

氧化锌光催化剂光生电子-空穴对的快速复合是氧化锌光催化性能的主要限制因素之一，而石墨烯归因于其良好的电子传输性能和巨大的比表面积，使其成为氧化锌复合改性的理想材料。

本论文的研究内容及结果如下：（1）通过简化的Hummers 法，改进的Hummers 法，加压氧化法三种不同方法制备出了氧化石墨烯。

利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜(SEM) 、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)对其化学组成和形貌进行了表征和分析。

结果表明改进的Hummers 方法制备出的氧化石墨烯的具有较高的氧化程度。

（2）在水溶液中，采用具有较强还原能力和环境友好的还原剂腐植酸钠(Sodium Humate, SH)将氧化石墨烯的含氧基团成功移除，制备出稳定均匀的化学还原氧化石墨烯悬浮溶液，碳氧原子比达到3.78。

这种制备方法不仅避免了有毒有害的还原剂以及表面活性剂等的添加和使用，也为化学还原氧化石墨烯的批量制备提供了一种简单且环境友好的方法。

（3）通过水热制备出石墨烯/氮掺杂氧化锌复合光催化材料，最佳的制备条件是氮掺杂量为0.4 g，氧化石墨烯和氮掺杂氧化锌的质量比为5%，水热温度为120 °C。

石墨烯的制备和表征——本科生科研中期进展报告一、课题研究背景及意义众所周知，硅让我们迈入了数字化时代，但研究人员仍然渴望找到一些新材料，让集成电路更小、更快、更便宜。

在众多的备选材料中，一种被称为石墨烯(graphene）的纳米材料最引人瞩目，10层以下的石墨材料(Graphene和Few-layer graphenes)一般被统称为石墨烯材料(graphenes)。

石墨烯由单层六边形平面碳原子环构成，厚度仅相当于一个原子。

石墨烯比较显著的优点有很多，例如超强导电性、超高强度和透光性（因为极薄)，这使它成为制造可弯曲显示设备和超高速电子器件的理想材料。

石墨烯的应用范围很广，从可折叠显示器到有机太阳能电池，从柔性电子产品到智能服装，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。

6年前才首次被分离出来的石墨烯，如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中。

自2004年安德烈·K·海姆(Andre Geim)教授和科斯佳．诺沃谢洛夫(Kostya Novoselov)研究员首次制备出石墨烯以来，石墨烯受到了全世界科学家的广泛关注。

不过，要让石墨烯离开实验桌，正式摆上商品货架，还必须找到新的方法，大量制造单层均匀的石墨烯薄片，以满足工业化生产的需求。

化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)是应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法，其生产工艺十分完善，因而也成为研究人员制备石墨烯的一条可行性途径。

实验证实，化学气相沉积法是制备大尺寸、高质量石墨烯的最省钱方法之一，可以与现有的半导体制造工艺兼容。

利用这种方法制备出来的大尺寸石墨烯薄膜不仅具备高硬度和高拉伸强度，其电学特性也是现有材料中最好的。

这些单原子层厚的碳薄片是非常有前途的材料，可以用来制造平板显示器所必需的柔性、超薄电极和晶体管。

另外，石墨烯还可以制作可折叠的有机发光二极管(OLED)显示器和有机太阳能电池。

石墨烯的制备、特征、性能及应用一、石墨烯的特点及应用领域（一）石墨烯的特点石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来的，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。

它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元，具有很多奇异的电子及机械性能。

因而吸引了物理、化学、材料、电子、能源、生物和信息技术等领域科学家的高度关注。

其主要特点有：1.硬度高（人类已知的硬度最高物质）、柔性大；2.电导率高（室温下最好的导电材料）石墨烯优良的导电性使其在锂电池中可以显著提升正负极的导电性；3.导热性高（优质散热材料）；4.透光性高；5.比表面积大（吸附和过滤能力强）。

（二）石墨烯的应用领域石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

美国一位工程师杰弗雷用形象地比喻了石墨烯的强度：将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，如想用一支铅笔戳穿它，需要一头大象站在铅笔上。

石墨烯材料在储能器件、防腐涂料、功能纺织品、橡胶制品、显示器件、智能保健品等产品中的应用日益显露出广阔市场空间。

石墨烯主要应用于以下几个方面：1.制造下一代超级计算机。

石墨烯是目前已知导电性能最好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速度更快、能耗降低。

2.制造“太空电梯”的缆线。

美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，科学家幻想将来太空卫星要用缆线与地面联接起来，那时卫星就成了有线的风筝，科学家现在终于找到了可以制造这种太空缆线的特殊材料，这就是石墨烯。

人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。

3.可作为液晶显示材料。

石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏。

摘要石墨烯的制备、表征及石墨烯/氧化锌光催化剂的制备与性能研究石墨烯（Graphene，GR）自从2004年被发现以来，因其理想的二维晶体结构和独特的物理性能而成为研究的热点。

目前，石墨烯的制备方法主要有：微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）溶液还原法。

与其它方法相比，氧化石墨烯溶液还原法具有高产量、低成本和可规模化制备等特点，有望成为规模化制备石墨烯的有效途径之一。

然而在还原过程中常采用的还原剂肼和水合肼具有易爆炸性和强毒性，易对环境造成危害。

因此，需要发现一种环境友好、温和且有效的方法来实现化学还原氧化石墨烯（Chemically Reduced Graphene Oxide，CRGO）的批量制备。

氧化锌（ZnO）因其无毒、成本低等优点被广泛应用于光催化的研究。

氧化锌光催化剂光生电子-空穴对的快速复合是氧化锌光催化性能的主要限制因素之一，而石墨烯归因于其良好的电子传输性能和巨大的比表面积，使其成为氧化锌复合改性的理想材料。

本论文的研究内容及结果如下：（1）通过简化的Hummers 法，改进的Hummers 法，加压氧化法三种不同方法制备出了氧化石墨烯。

利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜(SEM) 、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)对其化学组成和形貌进行了表征和分析。

结果表明改进的Hummers 方法制备出的氧化石墨烯的具有较高的氧化程度。

（2）在水溶液中，采用具有较强还原能力和环境友好的还原剂腐植酸钠(Sodium Humate, SH)将氧化石墨烯的含氧基团成功移除，制备出稳定均匀的化学还原氧化石墨烯悬浮溶液，碳氧原子比达到3.78。

这种制备方法不仅避免了有毒有害的还原剂以及表面活性剂等的添加和使用，也为化学还原氧化石墨烯的批量制备提供了一种简单且环境友好的方法。

（3）通过水热制备出石墨烯/氮掺杂氧化锌复合光催化材料，最佳的制备条件是氮掺杂量为0.4 g，氧化石墨烯和氮掺杂氧化锌的质量比为5%，水热温度为120 °C。

石墨烯材料的制备与表征石墨烯，是由Carbon原子通过共价结合形成的一种非常薄的二维晶体材料。

它的强度极高，导电性也非常强，在现代科技领域中有着广泛的应用，受到了广泛的研究和关注。

本文将探讨石墨烯材料的制备与表征方面的相关问题。

一、石墨烯的制备方法目前，石墨烯的制备方法较多，常见的方法包括化学气相沉积法、机械剥离法、还原氧化石墨烯法、电化学剥离法等。

1.化学气相沉积法化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）是石墨烯制备的一种常见方法，其基本原理是通过在特定的反应条件下，将气态中的碳元素沉积在固体底物上，形成单层石墨烯结构。

在制备过程中，需要使用具有金属催化作用的基底材料，如Ni、Cu等金属，在反应室内将目标金属材料与甲烷转化为氢气反应生成碳源，经过高温热解后，生成单层石墨烯。

2.机械剥离法机械剥离法（Mechanical Exfoliation）是利用机械剥离的方法，将多层石墨分解成单层石墨烯的一种方法。

这一方法通过加工去除石墨烯材料中的几何层，使其成为单层的颗粒，进而将其离散出来。

机械剥离法制备的石墨烯优点在于制备工艺简单、成本低，但制备的产量低，难以满足大规模生产的需要。

3.还原氧化石墨烯法还原氧化石墨烯法（Reduction of Graphene Oxide, RGO）是将氧化石墨烯还原成石墨烯的一种方法。

在该方法中，石墨烯初步制备得到的是氧化石墨烯，这一过程通过化学氧化法、热处理法等方法进行，之后再通过还原反应将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终制备出单层石墨烯。

4.电化学剥离法电化学剥离法是以电化学腐蚀为基础，通过在电解液中加入石墨和外电势，去除一定厚度的层，从而制备出单层石墨烯的方法。

该方法制备石墨烯可能会出现氧化问题，但也能够无需使用多层材料，制备出大量的单层石墨烯材料。

同时也可以控制电压、电流、腐蚀时间等参数，控制剥离的质量和数量等方面。

二、石墨烯的表征方法石墨烯的表征方法对其性质研究，以及其在各种应用领域中的应用具有重要意义。

实验目的：（1）了解石墨烯的结构和用途。

（2）了解氧化后的石墨烯比纯石墨烯的性能有何提升（3）了解Hummers法的原理一、实验原理：天然石墨需要进行先氧化，得到氧化石墨，再经过水合肼的作用下还原，才能得到在水相条件下稳定分散的石墨烯。

石墨的氧化过程采用浓硫酸和高锰酸钾这两种强氧化剂，氧化过程中先加浓硫酸，搅拌均匀后再加高锰酸钾，氧化过程从石墨的边沿进行，然后再到中间，氧化程度与持续时间有关。

氧化过程中要增加石墨的亲水性，以便于分散，分散一般使用超声分散法。

氧化后的氧化石墨烯需要进行离心处理，使得pH值在6到7之间，目的是洗去氧化石墨烯的酸性，根本原因是研究表明氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可以形成稳定的悬浮液。

氧化石墨烯的还原有多种方法，化学还原和热还原等，化学还原采用水合肼，热还原采用作TGA后，加热到200℃，一般大部分的含氧官能团都能除去。

二、实验内容：1、利用氧化还原法制备石墨烯2、对制得的石墨烯进行结构表征三、实验过程：实验利用Hummers法进行实验：1、在三颈瓶外覆盖冰块，制造冰浴环境，并在三颈瓶内放入搅拌磁石；2、将冰状天然石墨4g和硝酸钠2g倒入三颈瓶中；3、将92ml浓硫酸倒入三颈瓶中；4、开启磁力搅拌器，把溶液搅拌均匀后再缓慢加入高锰酸钾12g，在冰浴环境下搅拌3h；5、升温至35℃，保持搅拌0.5h或1h，此时是对石墨片层中间进行氧化作用，氧化程度与持续时间有关；6、加入去离子水184ml，缓慢滴加，保持温度低于100℃，升温至90℃，保温3h，溶液变红；7、加300ml去离子水和30%的双氧水溶液10ml，使得高锰酸钾反应掉，静置一晚，倒掉上层清液；8、对溶液进行离心操作7-8次，使得pH值在6-7；9、减压蒸馏，进行还原反应得到石墨烯；10、对得到的产物进行结构表征。

六、实验结果及讨论：(A)氧化后的氧化石墨烯悬浮液 (B) 还原过程加热温度对氧化石墨烯含量的对比记录(C)石墨烯的XRD（D）石墨烯的SEM图有（B）可知随着温度的上升，氧化石墨烯反应得越多，占比越低。

石墨烯的氧化还原法制备及结构表征
石墨烯是一种二维碳材料，具有优异的性能，如超强弹性、优良的热导率和电学性能等。

目前，主要的制备技术有氧化还原法。

氧化还原法是用氧化剂把石墨彻底分解成碳氧微粒，再用还原剂将碳氧微粒重组成石墨烯的技术。

其具体实现过程主要包括选择介质、制备原料碳原料悬浮液，合成悬浮液氧化/ 竞争性反应，滤液洗涤，单分子层稳定化吸附，水热处理法, 热处理，电解沉积等步骤。

氧化还原制备石墨烯的好处是可以制备灵活多变的微纳结构，如各种卷曲石墨烯，交织石墨烯和空心石墨烯等，尺寸可以调节范围从几纳米到几十纳米；另外，由于控制了还原反应，可以调节它的结构,例如碳冒号数量,棱镜样角等纳米特征，从而改变其物理性能；此外，氧化还原法可以在各种介质，如水、溶剂混合物、电解质、有机溶剂中实现绿色环保的合成。

可见，氧化还原法是一种有效的制备石墨烯的方法，它具有灵活的形状、微纳的结构、易于控制的参数和绿色环保的特点，使石墨烯在电子、力学和绝热方面具有广阔的应用前景。