低成本石墨烯的制备与表征

王常春，孙 蕾，刘中伟，马玉晓

(1.山东恒华新材料有限公司，山东 临沂 276000；2.临沂大学 材料科学与工程学院，山东 临沂 276000)

石墨烯是一种碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，在电子、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域具有巨大的应用潜力，自2004年被发现以来，引起了世界各国的高度关注和热烈追捧。

目前，石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化石墨烯化学还原法和溶液剥离法等。本文以石墨粉为原材料，采用低温扩张法生产石墨烯，主要原理如图1。

图1 低温扩张法生产石墨烯原理

1 实验部分

1.1 主要原材料

石墨粉(粒径80目，纯度99%，青岛天和达石墨有限公司生产)；金属钠(工业级，山东默锐科技有限公司生产)；液氨(山东祥龙集团生产)。

1.2 试验方法

准确称取46.0 g石墨粉及115.5 g金属钠依序加入插层反应器中，密封后加入200.0 g液氨，搅拌反应，每隔十分钟记录一次反应压力及反应温度；反应结束后(待压力升至最大值并保持半小时不变)，泄压回收反应尾气，根据剩余物料重量计算液氨消耗量，补充消耗掉的液氨，继续反应，反应结束后泄压回收尾气，将料放置湿式捕集器中过滤，取过滤粉体，用去离子水清洗至中性，放入260℃烘箱内烘干即得石墨烯。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯的表征与分析

2.1.1 石墨烯的SEM及AFM测试及结果分析

图2 光学显微镜下(a)和原子力显微镜下(b)石墨烯扫描图

图2中a为石墨烯在2000倍的SEM图，b为石墨烯的AFM图。从SEM图中可以看出，石墨烯有一定的团聚现象，但其片层很薄且片层的长厚比很大；从AFM扫描结果可以知道，石墨烯厚度为3.18 nm，根据单层石墨烯厚度为0.335 nm可知，石墨烯厚度在10层以内，属于少层石墨烯。

2.1.2 石墨烯的EDS测试与结果分析

图3 石墨烯的EDS测试谱图

图3为石墨烯的能谱仪测试谱图，从图中可以看出，石墨烯中含有少量氧、钠元素，石墨烯采用氨钠插层法制备过程中引入了钠元素，氧的含量少于1%，说明石墨烯表面引入的含氧官能团少，结构破坏较少。

2.1.3 石墨烯的BET测试与结果分析

图4 石墨烯的BET测试图

图4为采用BET法检测石墨烯比表面积的测试结果，可以得到石墨烯的比表面积在720 m2/g左右，而单层石墨烯的理论比表面积为2630 m2/g，主要是因为石墨烯为少层石墨烯，且易团聚所致。

2.1.4 石墨烯的电导率测试与结果分析

图5 石墨烯的电导率测试曲线

图5为ST2722半导体粉末电阻率测试仪检测的石墨烯电导率曲线，可以知道，在压强为0～20 MPa时，石墨烯的电导率在9.9×103～1.6×105S/m范围内。石墨烯的电导率随着压力的增加逐渐增加。

3 结论

采用低温扩张法对石墨插层、膨胀、剥离成功制备了石墨烯粉体，并且对石墨烯的形貌及性能进行了表征和分析，SEM、AFM表明产品为少层石墨烯，石墨烯有团聚现象出现；EDS测试表明，石墨烯氧化较少，保留了较高的结构完整度；BET法测试及电导率测试表明，石墨烯具有较高的比表面积及电导率。