石墨烯中制备及表征检测方案(激光拉曼光谱)

实验仪器 结果与分析 关键词 拉曼光谱石墨烯水分散化学剥离环境友好 引言 石墨烯拥有独特的电学性能、力学性能、光学性能和热力学性能，使其在电子、医学、光学、化工、生物、能源等方面有着广泛的应用前景。石墨烯的制备方法很多，主要分为三大类：固相法(比如机械剥离法和外延生长法)、液相法(包括氧化还原法、化学剥离法、超声分散法、有机合成法和溶剂热法等)和气相法(包括化学气相沉积法CVD、等离子增强法、电弧放电法、火焰法等)。 固相法制备的石墨烯质量很高，但产量低，不足以满足实验室和应用的需求，不利于石墨烯的批量生产。化学剥离法是一种很有发展前景的低成本、宏量制备石墨烯的方法，但该方法所制备的石墨烯可控性差、质量低、导电性差、易环境污染。 最近，中国科学院上海微系统与信息研究所谢小明团队开发了一种经济、绿色的化学剥离法，用于制备高品质、水溶性高、可量产的石墨烯，其合成路线示意图如图1a所示。它以石墨为原料，首先采用硫酸和高锰酸钾混合液对石墨边界进行微氧化处理，然后再向反应体系中加入H，O，和NH，当它们与石墨边界附近的锰离子发生氧化还原反应时，会生成氧气泡，进而实现石墨片层间的剥离。由于氧化反应只作用于石墨烯边界，这极大保证了制得石墨烯晶格的完整性。并且，边界氧化的石墨烯拥有优异的水溶性(无需表面活性剂和添加剂)，i可达5 mg mL1， 比目前已知报道的最佳数据要高一个数量级。 图1(a)高品质水分散石墨烯的合成示意图； (b)石墨烯的拉曼成像结果(ID/IG)；((c)边缘膨胀石墨片层的SEM照片； (d)边界氧化的石墨烯前驱体(0.5g)放置于80mL起泡剂后0min、5min和15min的照片； (e) 20 mL浓度为2.5mgmL-1的石墨烯水溶液的照片 Thermo Fisher DXR2显微拉曼成像光谱仪，模块化设计，具有先进的自动化光学控制系统、高灵敏度智能化检测方式、优异的光谱分辨率和空间分辨率轻松实现微纳米级样品的检测。多功能软件及最大数据库等分析功能；仪器采用级激光安全等级标准和模块化高稳固设计，仪器的研究级显微镜、高分辨率光栅、高性能CCD探测器，以及光学系统的主要部件与浇铸合金基座整体结合，保证系统高稳定性。 取10g石墨粉放置于200mL浓硫酸溶液中室温搅拌30分钟，搅拌过程在配有冷却系统的500mL双层烧杯内进行。向烧杯中缓慢加入10g高锰酸钾，30分钟完成。继续反应2小时，再加入100mL去离子水，反应2小时。最后加入10mL双氧水反应30分钟，制得的液体溶液用去离子水真空抽滤和冷冻干燥，得到边界氧化的石墨烯前驱体。然后将其加入到氨水溶液进行起泡剥离，制得的石墨烯经抽滤和冷冻干燥进行纯化。具体实验步骤请参考(Scientific Reports， 2016，6：34127) 图2(a)石墨烯片的TEM及(b)局部放大的HR-TEM照片；；(c)石墨烯片的SAED衍射图；(d) 石墨烯片的边界及中心区域的拉曼光谱图； (e) SiO，基底上石墨烯的AFM照片及高度图； (f)石墨烯的层厚分布结果。 (a)和(e)的比例尺分别为100nm和2pm。 图1(b)所示为石墨烯片的拉曼成像结果，它根据D峰和G峰的强度比值制得。红色代表石墨烯的缺陷分布区域，主要集中在片层的外围边界。蓝色为背底，绿色为无缺陷的石墨烯。石墨烯片层外围边界和中心区域的拉曼光谱如图2(d)所示。边界区域光谱中D峰(1360cm1附近)强度明显高于G峰(1587cm1附近)，这说明C-C sp3杂化程度高，石墨烯缺陷严重，而中心区域光谱图中D峰强度非常弱，这说明C-C sp3杂化程度低，石墨烯缺陷非常小。图2(a)和(e)分别为石墨烯的TEM和AFM照片， TEM照片清晰地显示了石墨烯片层褶皱，表明制备的石墨烯片拥有很高的柔韧性和超薄特性。AFM照片中两个不规则石墨烯片的厚度分别为1.3 nm和3.0 nm。根据多次AFM测试，得到图2(f)中石墨烯片层厚度的分布结果，制备的石墨烯主要以双层和三层为主。 本文开发了一种经济、绿色的化学剥离法制备高品质、高水溶性和可量产的石墨烯。拉曼成像技术作为一种无损分析方法，非常适合于石墨烯片层的缺陷分布研究和品质鉴定，为石墨烯合成工艺的优化提供有价值的信息。 ( 1.S. Tian， J. Sun， S. Yang， P. He， G. Wang， Z. Di， G .Ding， X. Xie， M. J i ang， Scientific R e ports， 2016， 6：34127. ) @2016赛默飞世尔科技。版权所有。所有商标属于赛默飞世尔科技及其子公司。规格、条款和定价或按情况改变。不是所有的国家都能购买到所有的产品。欲知详情，请咨询您当地的销售代表。 赛默飞世尔科技 S CIENTIFIC 热线电话：ales.cad@thermofisher.comwww.thermofisher.comS CIENTIFICPart of Thermo Fisher Scientific Thermo Fisher DXR2显微拉曼成像光谱仪，模块化设计，具有先进的自动化光学控制系统、高灵敏度智能化检测方式、优异的光谱分辨率和空间分辨率轻松实现微纳米级样品的检测。多功能软件及最大数据库等分析功能；仪器采用I 级激光安全等级标准和模块化高稳固设计，仪器的研究级显微镜、高分辨率光栅、高性能CCD探测器，以及光学系统的主要部件与浇铸合金基座整体结合，保证系统高稳定性。