微波法氧化石墨烯海藻酸钠复合微球的制备与表征

胡子钰 骆克娜 王志坚 胡洪亮

摘要：通过微波干燥工艺制备了氧化石墨烯（GO）海藻酸钠复合微球，采用扫描电子显微镜（SEM）对微球结构进行了表征。研究表明：随着微波处理时间的不同，微球内部结构具有显著差异;当微波处理10 min时，GO海藻酸钠复合微球具有独特的立体空心结构。同时，对其形成机理进行了深入地分析与探讨。

关键词：氧化石墨烯;海藻酸钠;微球;微波干燥法

中图分类号：TQ324.8

文献标识码：A

文章编号：16r 4-9944（2018）8-0179-03

1 引言

石墨烯作为新兴明星材料，由于其独特的二维结构、高比表面积、导电性等性能，自2004年发现以来吸引了全世界的广泛关注[1]。由于石墨烯具有极大的比表面积，理论值高达2620 m2/g，被认为是一种具有良好应用前景的碳基新材料[2]。但石墨烯由于成本高、材料分散困难等问题使其应用受到一定的限制。然而，如果通过简单的复合工艺，实现石墨烯复合材料的制备，充分发挥各自的优点，降低成本、提升产品附加值，这必将促进新型复合材判技术的发展与进步。

因此，以高分散性的氧化石墨以及海藻酸钠为主要原材料，在微波工艺条件下利用水分子的快速蒸发所产生的膨胀作用，制备具有独特空心结构的氧化石墨烯海藻酸钠复合微球，该方法具有制备工艺简单、微球粒径可控、绿色环保、无毒害、成本低廉，所得产品可广泛应用于相变储能、水体净化、建筑节能等领域。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

石墨，青岛欧尔石墨有限公司纯度99.9%;海藻酸钠，天津市北辰方正试剂厂;二水合氯化钙，西陇化工股份有限公司;去离子水，自制;722E型可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司;TDL- 5OB低速台式离心机，上海安亭科学仪器厂;WD- 9410B型超声波清洗器，北京市六一仪器廠：WGL-65电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司。

2.2 实验过程

根据Humrner方法制备了氧化石墨烯（G0）[3]。将海藻酸钠与去离子水按2.5 g：100 mL的比例充分溶解，待用。将GO置于50 mL去离子水中超声分散2h后，将GO与海藻酸钠按照质量比为1：9加入加入到海藻酸钠水溶液巾继续超声分散20 min待用。以二水合氯化钙溶液为固定液，将5g二水合氯化钙溶于100 mL去离子水中，待用。缓慢均匀的将氧化石墨烯海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的二水合氯化钙固定液中反应30 min，待反应完毕后用去离子水洗涤2～3次备用;将制备的产品一部分在微波功率为800W的条件下分别处理5 min、10 min待用，另一部分放入电热鼓风干燥箱中40℃烘干至恒重，待用。

3 结果与讨论

3.1 微波法GO海藻酸钠复合微球制备

实验通过Hummer方法制备的GO片层厚度为0.95 nm小于1 nm，如图la-b所示。将超声分散后的GO与海藻酸钠水溶液充分溶解分散后，缓慢均匀的将氧化石墨海藻酸钠混合溶液滴入二水合氯化钙固定液中形成微球。将所制备的GO海藻酸钠复合微球在微波功率为800W的条件下微波处理1Omin，获得具有独特空心结构GO海藻酸钠复合微球。

为了进一步了解微球结构变化，我们对其进行了SEM观察，如图1c-d所示。研究表明，微波法制备的GO海藻酸钠复合微球表面呈现良好的球体状态，内部为空心结构。GO片层与海藻酸钠在微波作用条件下，随着水分子的快速蒸发形成了微球的壁材。因此，研究认为通过微波干燥工艺，能够实现GO海藻酸钠立体空心结构复合微球的制备。

3.2 微波时间对微球内部结构的影响

为了进一步阐明，微波工艺对GO海藻酸钠复合微球结构的影响，实验研究了不同微波时间下微球内部结构的变化。研究表明，未经微波处理的GO海藻酸钠复合微球内部为实心结构如图2a-b所示。然而，当微波时间为5 min时，微球内部呈现较小的空心结构，但孔壁仍呈现实心厚壁结构如图2c-d所示。最终，当微波时间为10 min时，微球呈现良好的全空心结构，且孔壁呈现多孔结构，如图1c-d所示。所以研究认为，在微波条件下微波处理时间对G0海藻酸钠空心微球的形成具有至关重要的作用。

3.3 GO海藻酸钠微球内部结构形成机理分析

为了进一步阐明，微波工艺条件下微球内部结构形成的原因。实验对GO海藻酸钠复合微球进行SEM分析，实验结果见图3。研究表明，微波处理后GO海藻酸钠复合微球形成了内部空心，孔壁为多孔结构的立体空心微球。GO海藻酸钠复合微球进行微波处理过程中，由于水分子的快速蒸发产生较大的扩张应力，导致GO海藻酸钠复合物在应力的作用下向微球外表面扩散形成壳体。大量水分子在通过微球壳体时由于内外压力差及蒸发渗透速率不一致，导致水分子在微球壳体部位发生激烈碰撞，最终孔壁形成独特的多孔结构。

4 结论

本文在微波工艺条件下制备了具有独特立体空心结构的GO海藻酸钠复合微球。微波干燥法的引入促进了GO海藻酸钠复合微球的形成，当微波功率为800W、处理10 min时，微球结构良好。且微球的形成主要是依靠水分子的快速蒸发渗透。该复合微球的制备为GO的应用提供了新的思路。

参考文献：

[1]Schedin， F，Geim， A， K，Morozov， S. V，et al. Detection of indi-vidual gas molecules adsorbed on graphene [J]. Nat Mater，2007（6） ：652～655.

[2]2hao GX， Wen T，Chen CG，et aL Synthesisof graphene- basednanomaterials and their application in energy- related and envi-ronmental- related areas [j]. RSC Advances， 2012， 2 （25） ; 9286 ～9303.

[3]Park S， Ruoff RS. C，he.mical method.s for the production of gra-phenes [J]. Nat Nanotechnol，2009 （4） ：217～24.