氧化石墨烯的制备及其电化学性质分析文档格式.docx
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1实验。
1.1试剂与仪器。
石墨粉（98%,分析纯，天津欧博凯化工有限公司）；
高锰酸钾（99.5%,分析纯，天津市化学试剂一厂）；
浓硫酸（98%，天津市江天化工技术有限公司）；
硝酸钾（分析纯，天津市天大化工实验厂）；
盐酸（30%，分析纯，宜兴市辉煌化学试剂厂）；
过氧化氢（30%,分析纯，天津市富宇精细化工有限公司）；
N,N-二甲基甲酰胺（DMF,分析纯，天津市恒
兴化学试剂制造有限公司）。
SH05-3恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；
LK2005型电化学工作站（天津市兰力科化学电子高科技有限公司）；
参比电极为甘汞电极，辅助电极和工作电极均为Pt（99.9%,0.0314cm2）；
DZG-6050SA型真空干燥箱（上海森信实验仪器有限公司）；
JSM-5610LV型扫描电子显微镜（SEM,日本电子株式会社）；
Nicolet-5700型红外吸收光谱仪（FTIR,美国尼高力仪器公司）。
1.2氧化石墨烯的制备。
本实验氧化石墨烯制备的具体步骤为：
将230mL98%的浓硫酸加入干燥的烧杯中，冰水冷却至0~4C,在强力搅拌的条件下加入10g石墨粉和6g硝酸钾的混合物，完全溶解之后，分多次缓慢加入30g高锰酸钾，
严格控制温度在10~15°
C之间搅拌反应2.5h.反应过程中，溶液变为墨绿色，并有紫色的烟雾飘出，磁力搅拌变得困难，说明反应后溶液粘度增大。
然后在恒温水浴35C搅拌
反应30min,之后缓慢地滴加500mL去离子水，在稀释过程中要注意防止液体飞溅导致烫伤，温度控制在90C左右搅拌反应1h.反应完毕之后加入1000mL微热去离子水进行稀释，滴加一定量5%的过氧化氢溶液，搅拌，溶液立刻变为金黄色，然后进行过滤，用5%的盐酸溶液洗涤滤饼，再用去离子水洗涤pH至中性，同时用BaCI2溶液检测滤液，直至滤液无沉淀为止，此时说明滤饼中SO42-已经除尽，在洗涤过程中滤饼体积有所膨胀。
最后得到棕黄色胶体状的物质，将此物质在真空干燥箱60C真空干燥24h,取出保存备用。
2结果与讨论。
2.1氧化石墨烯的表征。
图1是氧化石墨烯的红外光谱分析图，此图出现的特征峰符合杨永辉等制备氧化石墨烯实验的分析[8].图1中在3100~3700cm-1范围内出现了一个较强较宽的谱峰，此峰为-OH的伸缩振动峰。
1630cm-1处的特征峰是氧化石墨烯吸收的水分子的-OH弯曲振动峰，说明并没有完全干燥，或者与氧化石墨烯强吸水性质有关。
1720cm-1、1267cm-1及1063cm-1处分别为C=0、C-O-C和C-OH的振动峰，2920cm-1及2850cm-1处的吸收峰分别为-CH2的反对称和对称伸缩振动。
这些特征峰的出现说明了所制的产物为氧化石墨烯。
图2为氧化石
墨烯的SEM图，可以看出氧化石墨烯结构皱褶，表面呈现膜状层面而且透明，这与碳键多样性有关[3].
2.2氧化石墨烯电化学性质的研究。
2.2.1循环伏安法研究氧化石墨烯电化学性质。
在室温下，称取0.03g干燥氧化石墨，加入30mLDMF,超声待完全分散后，进行电化学性质的研究。
本实验采用三电极体系，工作电极和辅助电极均为Pt,参比电极为饱和甘汞电极，所用的电极电势都是相对于饱和甘汞电极电势，不同扫速下的循
环伏安曲线如图3所示。
负扫时，在-1.2~-1.5V之间出现了一个阴极还原峰，此峰为氧化石墨烯的还原峰；
在不同扫速下的循环伏安曲线可以看出，随着扫描速度v的
增大，阴极还原峰Ep逐渐负移，峰电流Ip随之增大；
以还原峰Ep为纵坐标，不同扫
描速度的对数为横坐标作曲线Ep-Inv,如图4
所示，可得到一条直线，证明氧化石墨烯的还原为一步不可逆的反应。
对于完全不可逆反应，满足公式|Ep/2-Ep|=1.857RT/（aiF）[9],可以求得电荷传递系数a的平均值为0.03348.以阴极还原峰电流ip为纵坐标，不同扫描速度的平方根为横坐标作曲线ip-v1/2,如图5所示，得到一条直线，斜率为K=4.3338,相关系数为
0.996,可知ip与v1/2的线性关系较好，证明了氧化石墨烯的一步不可逆还原反应受扩散控制。
2.2.2单电位阶跃计时电流法研究氧化石墨烯电化学性质。
在室温下，氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上的单电位阶跃实验的电流-时间响应
曲线如图6所示。
由图6可以看出，整个曲线趋势是电流先突然增大到一个最大值之
后立刻降至最低点，之后趋于平缓，电流突然增大后又降至最低的过程是双电层充电的过程。
单电位阶跃实验的电流-时间响应曲线又一次说明了氧化石墨烯在1电极上的还
原过程受扩散控制。
2.2.3塔菲尔曲线研究氧化石墨烯电化学性质。
在室温下，氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上的塔菲尔曲线如图7所示。
图7中A为阳极塔菲尔曲线，B为阴极塔菲尔曲线，整条曲线A到B反映的是氧化石墨烯还原之后又被氧化的过程。
分别对A和B曲线
作切线，切线的交点为交换电流，即为
10=3.1623W-3mA,交换电流密度i0为1.007>
10-4A/cm2,计算得到的交换电流密度值较小，又一次说明了氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上的电化学反应是一步不可逆反应。
2.2.4氧化石墨烯成核机理的研究。
图8是氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上不同电位下的电流-时间暂态曲线，电流先
增大后又降至最低点，这是双电层充电现象
所致，最大电流值随着阶跃电流绝对值的增大而增大；
此电流-时间暂态曲线说明了氧化石墨烯在Pt电极上的电沉积符合成核机理。
由图8实验所得数据，作i'
2/i'
2m-t7tm'
曲线如图9所示，其中最大电流为im,最大电流所对应的时间为tm,起始电流为i0,起始电流对应的起始时间为t0.由于实验受到双
电层充电的影响，因此需要对t、tm、i、im
数据进行修正，即t=t-t0,tm=tm-t0,i=i-i0,izm=im-i0.B是根据离子成核理论经过无量纲化处理得到的瞬时成核理论图，同样，D是根据离子成核理论经过无量纲化处理得到的连续成核理论图，根据图9可以得出不同阶跃电位下氧化石墨烯在Pt电极上电沉积的i'
2m-t/tm'
曲线靠近连续成核理论图，说明了氧化石墨烯在Pt
电极上电沉积符合连续成核机理。
作i-t3/2关系图如图10所示，不同阶跃电位下i与t3/2具有较好的线性关系，由此
得出该过程是在三维模式扩散控制下成核的。
3结论。
采用洪菲等改进的Hummers法来制备氧化石墨烯，通过红外光谱表征说明所制得的产物为氧化石墨烯；
在扫描电子显微镜下观察，氧化石墨烯结构皱褶，表面呈现膜状层面而且透明。
将氧化石墨烯分散在DMF
中，进行电化学性质的研究，由循环伏安法证明了氧化石墨烯为一步不可逆还原反应，并且此过程受扩散控制，求得电荷传递系数a为0.03348.通过单电位阶跃计时电流法又一次说明氧化石墨烯在Pt电极上的还原是受扩散控制。
通过塔菲尔曲线可计算得交换电流密度i0为1.007>
10-4A/cm2,同时也证明了氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上电化学反应是一步不可逆反应。
氧化石墨烯成核机理的研究表明氧化石墨烯-DMF溶液在Pt电极上是在三维模式扩散控制下连续成核的。
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