采用經(jīng)典的Hummers法合成石墨烯，對合成溫度、反應(yīng)時間、氧化劑的添加量、還原劑的加入量等實驗條件進(jìn)行改變，研究了影響合成的關(guān)鍵工藝。結(jié)果表明：控制高溫反應(yīng)的溫度在90～100℃范圍內(nèi)是提高產(chǎn)率最為關(guān)鍵的因素。控制低溫反應(yīng)的溫度接近0℃，中溫反應(yīng)的溫度為30～45℃，保證反應(yīng)時間分別大于30min和60min，并添加過量的氧化劑，可以使產(chǎn)率得到一定的提高。

　　作為碳系材料家族的重要一員，石墨烯(Graphene，GR)的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界中掀起了研究的熱潮。GR是單層碳原子層，完美的GR是由sp2 雜化形成的穩(wěn)定二維結(jié)構(gòu)，它只具有六邊形單元。GR這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。其理論比表面積高達(dá)2600m2/g，室溫下的電子遷移率為15000cm2/(V·s)，熱導(dǎo)率為3000W/(m·K)，拉伸強(qiáng)度為1060GPa。同時，它還具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)等一系列優(yōu)異的性質(zhì)。

　　研究人員經(jīng)過大量研究，發(fā)現(xiàn)GR可以通過固相、液相和氣相三種方式制得。固相法主要是指機(jī)械剝離法和外延生長法，其中機(jī)械剝離法雖然能夠得到較大尺寸的GR，但是質(zhì)量不穩(wěn)定；外延生長法所需要的條件較為苛刻，無法大量合成。氣相法主要有化學(xué)氣相沉積、等離子增強(qiáng)、火焰法、電弧放電法等，這些方法所需要的條件也都比較特殊，無法實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，并且合成條件的調(diào)控較為復(fù)雜，無法靈活進(jìn)行工藝的調(diào)整。液相法是目前采用較多的合成方法，可分為氧化還原法、超聲分散法、有機(jī)合成法和溶劑熱法。其中超聲分散法的產(chǎn)率較低，不能夠大量合成；有機(jī)合成法對設(shè)備要求較嚴(yán)格，并且穩(wěn)定性差；溶劑熱法得到的GR質(zhì)量較差。氧化還原法所使用的設(shè)備簡單，得到的GR質(zhì)量相對穩(wěn)定，Hummers法是其中最有代表性的工藝。雖然Hummers法被廣泛采用，但在實際操作中，這種方法的步驟較多，對合成過程的影響因素較多，造成了其產(chǎn)率較低。

　　Hummers法合成GR主要包括氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)的合成和GR的還原兩個過程，本工作在經(jīng)典的Hummers法基礎(chǔ)上，對這兩個過程造成影響的合成溫度、反應(yīng)時間、氧化劑的添加量、還原劑的加入量等因素進(jìn)行了詳細(xì)探討，分析了合成條件對GR 產(chǎn)率的影響，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了Hummers法合成GR的反應(yīng)機(jī)理。

1、實驗

　　1.1、原料

　　鱗片石墨：300 目，青島大和石墨有限公司；NaNO3：分析純，成都科龍化工試劑廠；濃H2SO4：98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，四川西隴化工有限公司；KMnO4：分析純，成都科龍化工試劑廠；H2O2：30%，成都科龍化工試劑廠；水合肼：分析純，成都科龍化工試劑廠。

　　1.2、氧化石墨烯的合成

　　按照經(jīng)典的Hummers法，稱取300目鱗片石墨5g和NaNO32g進(jìn)行混合，加入120mL濃H2SO4置于冰浴中加以攪拌，30min后加入20g　KMnO4，待反應(yīng)60min后，移入40℃溫水浴中繼續(xù)反應(yīng)30min，然后緩慢加入230mL 去離子水，并保持反應(yīng)溫度為98℃，攪拌5min后加入適量H2O2至不產(chǎn)生氣泡，趁熱過濾，并用去離子水和5%的鹽酸進(jìn)行多次洗滌至中性，離心后在60℃真空干燥箱中充分干燥即得氧化石墨。將氧化石墨分散在水中，得到棕黃色溶液，用超聲處理1h即得GO。

　　1.3、石墨烯的還原

　　稱取0.1g　GO溶解于50g去離子水中，得到棕黃色懸浮液，在超聲條件下分散60min，得到穩(wěn)定分散液，加熱分散液至80℃并滴加水合肼2mL，反應(yīng)4h后過濾并用甲醇和去離子水進(jìn)行沖洗，然后在60℃真空干燥箱中充分干燥即得GR。

　　1.4、表征

　　采用產(chǎn)率來評價GO和GR的合成工藝，計算公式如下：式中：YGO為GO的產(chǎn)率；YGR為GR產(chǎn)率；m石墨為石墨質(zhì)量；mGO為GO質(zhì)量，通過離心將GO與未反應(yīng)石墨分離，得到GO的準(zhǔn)確質(zhì)量；mGR為GR質(zhì)量，真空干燥后稱量得到GR的準(zhǔn)確質(zhì)量。

結(jié)論

　　(1)保持低溫反應(yīng)階段的溫度在接近0℃的較低范圍內(nèi)，并適當(dāng)延長低溫反應(yīng)的時間，添加過量的濃H2SO4和KMnO4，使更多石墨得到氧化；同時，可減少NaNO3的添加量或者不添加。

　　(2)中溫階段的反應(yīng)溫度控制在30～45℃，反應(yīng)時間延長至90min，以確保插層和氧化反應(yīng)進(jìn)行完全。

　　(3)高溫階段溫度的控制是合成GO過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過少量多次加入去離子水的方式，保持反應(yīng)溫度在90～100℃。同時，應(yīng)適當(dāng)縮短高溫反應(yīng)的時間，以防止解離后的片層發(fā)生團(tuán)聚。

　　(4)在GR的還原過程中，應(yīng)添加過量的水合肼以使GO全部參與反應(yīng)，在80℃左右反應(yīng)4～6h可以取得較好的還原效果。