Introducción a la preparación y caracterización del método redox de grafeno

Usando el método Hummers, en presencia de ácido sulfúrico concentrado, permanganato de potasio y otros oxidantes, el polvo de grafito se oxida para formar óxido de grafeno, el óxido de grafito se disuelve en agua y luego el óxido de grafeno se reduce con hidrato de hidrazina para preparar grafeno. . El óxido de grafeno y el grafeno obtenidos se caracterizaron mediante espectroscopía infrarroja, espectroscopía ultravioleta y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados muestran que se preparan óxido de grafeno y grafeno y que ambos han sido suficientemente despojados.

El físico de la Universidad de Manchester Andre Heim y Konstantin Novoselov separaron con éxito el grafeno del grafito. Después de ganar el Premio Nobel de Física en 2010, el mundo inició una ola de investigación sobre el grafeno. El grafeno es un tipo de nuevo material de carbono en el que los átomos de carbono están estrechamente empaquetados en una estructura de celosía de panal bidimensional de una sola capa. El grosor de la película de cristal de grafeno es de solo 0,335 nm, que es una centésima parte del diámetro del cabello. El material más intensivo del mundo es la unidad básica para la construcción de otras dimensiones de materiales carbonosos, con excelente cristalinidad y propiedades electroquímicas. Por su excelente rendimiento, bajo costo y buena procesabilidad, el grafeno tiene grandes perspectivas de aplicación en los campos de la electrónica, la información, la energía, los materiales y la biomedicina.

En la actualidad, los métodos de preparación del grafeno se pueden dividir generalmente en dos tipos, a saber, método químico para preparar grafeno y método físico para preparar grafeno. El método físico se obtiene a partir de grafito o un material similar que tiene una gran perfección de celosía, y el grafeno obtenido tiene una escala de 80 nm o más. Los métodos físicos incluyen exfoliación mecánica, epitaxia de orientación, SiC calentado, explosión, etc .; y los métodos químicos se preparan mediante síntesis de moléculas pequeñas o separación de soluciones para obtener escalas de grafeno por debajo de 10 nm. Los métodos químicos incluyen intercalación de grafito, separación por expansión térmica, electroquímica, deposición de vapor químico, molienda de bolas, reducción de óxido de grafito y similares.

El método de reducción de óxido de grafito es actualmente el método más popular para preparar grafeno. El grafito reacciona con un oxidante fuerte bajo ciertas condiciones en ácido sulfúrico concentrado y se oxida para llevar un grupo como un grupo carbonilo, un grupo hidroxilo o un grupo epoxi entre las hojas. El paso de la capa de grafito aumenta para convertirse en óxido de grafito. Después de la sonicación adecuada, el óxido de grafito se dispersa fácilmente en una solución uniforme de óxido de grafeno de capa simple o doble en agua o un disolvente orgánico, y finalmente el grupo funcional que contiene oxígeno restante se elimina mediante reducción con hidrato de hidrazina. Aunque es posible que el grafito que ha sido completamente oxidado por un agente oxidante fuerte no se reduzca por completo, lo que da como resultado que se reduzcan algunas propiedades físicas y químicas, el método es simple y de bajo costo, y se puede preparar una gran cantidad de grafeno. El grafeno se prepara mediante un método de reducción de óxido de grafito.

1, la parte experimental

1.1, reactivos e instrumentos

Polvo de grafito (tamiz de malla 200, Shanghai Reagent Factory), ácido sulfúrico concentrado (95% ~ 98%), permanganato de potasio, nitrato de sodio, peróxido de hidrógeno (30%), ácido clorhídrico, hidrato de hidracina (80%), etc.son todos analíticamente pura El agua de prueba es un segundo agua destilada sub-hirviendo, espectrómetro infrarrojo BrukerTensor27, espectrómetro ultravioleta UV-2550PCUV-visiblepectrometer, microscopio electrónico de transmisión PhilipsTECNAI-12.

1.2, preparación de óxido de grafeno

La oxidación del grafeno se preparó a partir de grafito mediante el método Hummers.

En primer lugar, el grafito se oxida químicamente para obtener un grupo carboxilo que tiene un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo en el borde y se intercala entre las capas un grupo que contiene oxígeno, tal como un grupo epoxi y un grupo carbonilo. Este proceso puede aumentar la distancia entre las capas de grafito de 0,34 nm a aproximadamente 0,78 nm y luego desprenderse por fuerza externa (por ejemplo). Decapado ultrasónico) produce un óxido de grafeno que tiene un solo espesor de capa atómica. Los pasos experimentales específicos son los siguientes:

Agregue 70 ml de ácido sulfúrico concentrado a un vaso de precipitados de 250 ml, póngalo en el baño de agua helada, agregue una mezcla adecuada de polvo de grafito y 1 g de nitrato de sodio con agitación magnética y luego agregue 6 g de permanganato de potasio por separado, controle la temperatura de reacción ≤ 20 ° C, reacción 1,5 h. Luego, la temperatura del baño de agua se controló a 35 ° C para agitar la reacción durante 40 min, y luego lentamente agregar 90 mL de agua desionizada, la temperatura de reacción se controló a 90-98 ° C, la reacción se agitó durante 30 min, luego se agregaron 7 mL de H _ {2} O _ {2} al 30% para reducir el oxidante residual, y la reacción se llevó a cabo durante 10 min, y luego se añadió. Se hicieron reaccionar 55 ml de agua desionizada durante 5 min. Se filtró mientras estaba caliente y se lavó con una solución diluida de ácido clorhídrico y agua desionizada en una relación en volumen de 1:10 hasta que no se detectó sulfato en el filtrado. El producto se secó completamente en un horno de vacío a 60 ° C durante 2 a 3 días y se almacenó para su uso posterior.

1.3. Preparación de grafeno reducido

Se pesaron 150 mg de GO y se agregaron 150 mL de agua. Después de la sonicación durante 1 h, se colocó en un matraz de tres bocas de 250 mL, se agregaron 0.3 g de KOH y se agregaron 2 mL de hidrato de hidrazina. Después de calentar a reflujo a 98ºC durante 24 horas, la solución de reacción se enfrió, se centrifugó (10000 rpm, 20 min) y se lavó, centrifugó 3 veces seguidas y 1 vez en etanol. El producto sólido se secó al vacío a 60ºC.

2, resultados y discusión

2.1, caracterización infrarroja

El espectro infrarrojo del óxido de grafeno y el grafeno se muestra en la Fig.1.

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Fig.1 Espectro infrarrojo de óxido de grafeno (GO) y grafeno (GN)

Se puede ver en la Fig.1 que una serie de picos de absorción de infrarrojos aparecen después de la oxidación del grafito, y aparece un pico de absorción amplio y fuerte en el rango de 3000 a 3700 cm-1, que se atribuye al pico de vibración de estiramiento de -OH; Los picos de absorción que aparecen en 1723, 1382, 1221 y 1055 cm-1 se atribuyen respectivamente al pico de vibración de estiramiento -C = O, el pico de vibración de deformación OH y los picos de vibración de estiramiento C-OH y CO. Estos resultados indican que la superficie GO ya contiene diferentes tipos de grupos funcionales que contienen oxígeno. Cuando GO se reduce a GN, la absorción característica de -C = O desaparece, y el pico de vibración de deformación de OH en 1382 y el pico de vibración de estiramiento de 1055 se vuelven muy débiles. Este resultado indica que la mayoría de los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie del óxido de grafeno se han eliminado y el grafeno se ha preparado con éxito.

2.2, caracterización UV

La GO y GN preparadas se confirmaron mediante espectroscopia ultravioleta (Fig. 2).

Figura 2 Curvas de absorción ultravioleta de óxido de grafeno (GO) y grafeno GN

Puede verse en la Fig.2 que el pico de absorción característico del óxido de grafeno GO aparece a 232 nm y 301 nm, y cuando GO se reduce a GN con hidrato de hidracina, GN no tiene ningún pico de absorción ultravioleta, lo que indica que GO ha sido reducido a GN.

2.3, caracterización TEM

La muestra se caracterizó por disolver grafito, óxido de grafeno y grafeno en un solvente, dejarlo caer sobre la superficie de la malla de cobre, secarlo con luz infrarroja y luego caracterizarlo en un microscopio electrónico de transmisión. La Figura 3 es una imagen TEM de grafito, óxido de grafeno y grafeno, respectivamente.

Figura 3 Imagen TEM de grafito (A), óxido de grafeno (B), grafeno (C)

La topografía del grafito, el óxido de grafeno y el grafeno se puede ver en la Fig. 3. El grafito es una estructura de bloque grande, y el óxido de grafeno y el grafeno son estructuras de láminas de una sola capa separadas. El óxido de grafeno y el grafeno de doble capa y de una sola capa se pueden observar mediante microscopía electrónica, lo que indica óxido de grafeno y grafito. La olefina se ha desprendido bien después de repetidos ultrasonidos.

3. Conclusión

El grafeno se prepara por el método de Hummers y el grafeno se obtiene reduciendo el óxido de grafeno con hidrato de hidracina. Se demuestra mediante varios métodos de caracterización que la superficie de GO contiene una gran cantidad de grupos funcionales que contienen oxígeno, lo que proporciona una base teórica para la modificación de nanocomposites para la preparación de grafeno.

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