以-48μm高純鱗片石墨為原料，先采用Hummers法制備氧化石墨，再采用高溫熱膨脹剝離法制備石墨烯。利用X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、原子力顯微鏡(AFM)、N2 吸附-脫附(BET)等研究了氧化石墨及石墨烯的晶體結構、表面官能團、表面形貌、比表面積、孔徑分布等。XRD 研究結果表明，氧化石墨層間距為0.94 nm，原有的石墨峰消失;熱膨脹所得石墨烯(2θ=25.6°，d(002)=0.348nm)為無定形態。FT-IR 分析表明，石墨氧化過程中結構層間形成大量含氧官能團，經高溫還原后僅殘存部分含氧官能團。石墨烯具有較高的比表面積(336.7m2/g)，其厚度在0.4~0.7 nm 之間，為1~2 層石墨烯。

　　2004 年，英國曼切斯頓大學K S Novoselov 和A K Geim 等人，在實驗中通過膠帶反復剝離石墨片發現了只有1 個原子厚度單晶石墨膜——石墨烯。石墨烯材料具有理論高比表面積 (2600 m²/g) 以及奇特的電性能(15000cm²/(V·s))、導熱性能(3000 W/(m·K))、拉伸模量(1.01 TPa)、極限強度(116 GPa) 和光學性質，引起了科學家的廣泛關注。

　　目前，石墨烯的制備方法主要分為化學法和物理法。化學法包括熱膨脹剝離法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、電化學法、石墨插層法等。物理法包括機械剝離法、爆炸法、加熱SiC 法、取向附生法。石墨烯可通過膨脹石墨超聲或者球磨制備，其片層厚度一般為30~100 nm，難以得到單層石墨烯。本實驗首先采用Hummers 法制備氧化石墨，在 1050 ℃高溫熱膨脹，并通過在水溶液中超聲制備了1~2 層石墨烯。

1、實驗部分

1.1、原料及試劑

　　天然高純鱗片石墨，含碳99.99%，粒徑為-48μm，其X 射線衍射分析表明(002)晶面間距為0.336 nm。高錳酸鉀、98% 濃硫酸、硝酸鈉、30%雙氧水、5% 鹽酸，均為分析純。

1.2、實驗方法

　　氧化石墨制備：采用Hummers 法制備氧化石墨。首先在干燥燒杯中加入55 mL 98%濃硫酸和1 g 硝酸鈉，冰浴條件下冷卻，當體系溫度低于5 ℃時，攪拌中加入2 g 鱗片石墨，混合均勻后，緩慢加入5 g 高錳酸鉀，控制反應液溫度不超過 20 ℃，反應2 h，然后將燒杯置于 35 ℃左右的恒溫水浴中，均勻攪拌，待混合液溫度升至 35 ℃，反應30 min，加入92 mL 去離子水，控制反應液溫度在 98 ℃左右，繼續攪拌15 min，然后加入280 mL 去離子水將反應終止，同時加入20 mL 30% 雙氧水，這時溶液從棕黑色變為鮮亮的黃色，趁熱過濾，并用2 L 5% 稀鹽酸對產物進行洗滌，用去離子水充分洗滌直至pH 值為中性。然后在60 ℃烘箱中干燥，研磨，將獲得的氧化石墨置于干燥器中保存。

　　石墨烯制備：取0.1 g 氧化石墨粉末置于100 mL陶瓷坩堝中，用細鐵絲將蓋子綁好固定，將綁好的坩堝放入1050 ℃馬弗爐中，30 s 后取出，即得可剝離石墨，可剝離石墨按1 mg/mL 加入到水溶液中，超聲處理20 min，得到石墨烯懸浮液，冷凍干燥得到石墨烯。

1.3、性能表征

　　XRD 分析使用丹東DX-2700 型X射線衍射儀，以Cu-Kα (40 kV，40 mA) 為射線源，掃描范圍3。~80。，步進寬度0.02°，步進速率10 (。)/min。FT-IR 測試在美國尼高力公司Nexus-670型傅里葉變換紅外光譜儀上完成，制樣采用KBr 壓片，測試波數范圍為400~4000 cm-1。AFM 原子力顯微鏡用于表征氧化石墨及石墨烯的納米片厚度及層數，采用美國維易科公司3D 納米顯微鏡輕敲模式進行測試，

　　測試樣品是將在水溶液中超聲后的樣品懸浮液預先滴于云母表面，自然干燥制成。采用美國康塔公司Autosorb-1 型比表面積及孔徑分布分析儀對石墨烯進行BET分析，標準大氣壓下使用氮氣吸附- 脫附，靜態容量法測定。

2、結果與討論

2.1、X 射線衍射分析

　　石墨原料、氧化石墨以及石墨烯的XRD 的衍射圖，見圖1。從圖1a 可看出，石墨(002) 衍射峰在2θ 為26.5。處非常尖銳，對應層間距為0.336 nm，說明其石墨化程度高，微晶片層的空間排列非常規整;2θ 為54.6。處為石墨(004) 晶面衍射峰。從圖1b 可看出，石墨被氧化后，石墨(002) 晶面衍射峰基本消失，氧化石墨層狀結構的特征衍射峰(001)出現在9.4°處，層間距為0.94 nm，層間距得到大幅提高，層間范德華力減小，易于通過熱膨脹得到石墨烯，其層間距遠大于石墨層間距(0.336 nm)，這歸于氧化后石墨層間引入大量含氧官能團(羥基、羧基、環氧基等)。從圖1c 可看出，當氧化石墨經過高溫膨脹還原后，氧化石墨位于9.4。處的衍射峰消失，且石墨化的峰發生寬化，強度較弱，2θ 為25.6°，d(002) 為0.348 nm說明石墨層間已經產生了熱剝離，還原后石墨片層尺寸減小，晶體結構完整性下降，無序度增加，得到無定型態石墨烯。

2.2、紅外光譜分析

　　石墨、氧化石墨以及石墨烯紅外圖譜，見圖2。從圖2 可看出，石墨基本無紅外吸收峰，氧化石墨層間有較多含氧官能團，經高溫還原后，這些官能團都會消失或減少，相應的紅外振動吸收峰也會消失或減弱。圖2b 中氧化石墨在高頻區3372 cm-1 附近有較寬的吸收峰，歸屬于O-H 伸縮振動，在2000~3700 cm-1 范圍出現較寬的譜峰，來自于氧化石墨吸附的大量水分子的伸縮振動，在中頻區1726 cm-1 處出現的吸收峰，歸屬于氧化石墨邊緣羧基、羰基的C=O 伸縮振動[7]，1652 cm-1 處吸收峰歸屬于氧化石墨層間水分子O-H 的振動和未氧化石墨sp2 碳骨架C=C 的振動，位于1407 cm-1 處的吸收峰歸屬于-H 變型振動[9]，1223 cm-1 附近的C-OH 振動引起吸收峰的減弱，1051 cm-1 處的吸收峰歸屬于C-O-C 振動。這些含氧基團的存在說明了石墨被氧化，大量羥基的存在使得氧化石墨容易與水分子形成氫鍵，表現出很好的親水性。從圖2c 可看出，位于3372 cm-1處O-H 的吸收峰明顯減弱，位于1565 cm-1 處歸屬于石墨烯片層骨架-C=C- 振動的吸收峰逐漸增強，同時位于1178 cm-1 處歸屬于環氧基團的吸收峰明顯較弱，1051 cm-1 處吸收峰對應的 C-O-C 鍵的反對稱振動逐漸減弱。這些均證實了氧化石墨的還原。

2.3、氧化石墨力顯微結構及石墨烯原子

　　采用原子力顯微鏡表征氧化石墨及石墨烯形貌，水溶液中超聲得到的氧化石墨及石墨烯溶液在數周內保持穩定，不發生沉淀(圖3)。氧化石墨、石墨烯在云母基底上原子力顯微圖以及原子力顯微圖所測得的氧化石墨及石墨烯高度和尺寸分布圖，分別見圖4、圖5。從圖4a、圖5a 可看出，氧化石墨邊緣發生部分重疊，氧化石墨粒徑分布較寬，其平均厚度大約1 nm，這與XRD分析氧化石墨層間距為0.94 nm 基本一致，表明已經現完全剝離。石墨被氧化后，氧化石墨片層兩面因帶有共價氧原子和sp3 雜化碳原子而增厚，使其遠大于石墨烯厚度0.348 nm。從圖4b、圖5b 可看出，石墨烯片粒度均勻分布在云母片表面，氧化石墨由于高溫還原作用導致結構內部化學鍵斷裂，粒度減小。石墨烯厚度在0.4~0.7 nm 之間，為1~2 層石墨烯，圖中CD 、EF 各代表一個粒子尺寸的石墨烯，從圖5b 高度曲線中可看出其尺寸大約在幾十納米。氧化石墨被還原后石墨烯粒度減小這一現象與楊勇輝等的石墨烯膠狀懸浮液激光粒度分析一致。

2.4、石墨烯比表面積

　　石墨烯材料的N2 吸附- 脫附曲線及孔徑分布圖，見圖6。從圖6a 可看出，樣品具有納米結構;從圖6b 可看出，樣品具有很寬的孔徑分布范圍，為3~180 nm，但主要集中在3~5 nm。石墨烯的BET比表面積為336.7 m2/g，總孔容為1.76 mL/g，平均孔徑為20.94 nm。樣品的比表面積比單層石墨烯無限大片理論值2630 m2/g 低，這主要是受到石墨烯粒度的限制以及氧化石墨氧化程度不夠，不可能完全剝離，樣品內部部分片層重新堆積。

3、結論

　　以天然鱗片石墨為原料，利用Hummers 法制備氧化石墨，通過高溫熱膨脹得到可剝離石墨，超聲處理得到石墨烯納米片。氧化石墨部分sp3 雜化碳原子被還原成石墨的sp2 雜化，石墨烯晶體結構完整性下降，無序度增加。N2 吸附- 脫附表明，石墨烯具有較高的比表面積，為336.7 m2/g，AFM 測試表明水溶液超聲后得到了1~2 層石墨烯。