趙靜，張紅

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氧化石墨烯的可控還原及表征

趙靜，張紅

（上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 201620）

采用Hummers修正法制備氧化石墨烯（GO），用殼聚糖（CS）作為“綠色”無(wú)毒還原劑，以反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制氧化石墨烯的還原程度。用紅外光譜、紫外可見(jiàn)吸收光譜、拉曼光譜和X射線衍射等多種表征手段研究不同還原程度的還原氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，改變溫度不能有效地控制氧化石墨烯的還原程度；在50℃低溫環(huán)境下，控制反應(yīng)時(shí)間可以得到不同還原程度的還原氧化石墨烯，為進(jìn)一步研究不同還原程度還原氧化石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

氧化石墨烯；石墨烯；可控還原

石墨烯是一種由單層碳原子以sp2雜化的方式排列而緊密堆積形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料[1]。正是由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，石墨烯具有良好的熱穩(wěn)定性、較高的導(dǎo)電性、強(qiáng)度高和厚度小、比表面積大等十分奇特的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[2-6]。

目前，石墨烯的制備方法眾多，但基本可分為化學(xué)和物理兩種方法，其中化學(xué)方法包括化學(xué)氣相沉積（CVD）法和氧化石墨還原法等，物理方法包括微機(jī)械分離法、取向附生法等[7-10]。每一種方法制得的石墨烯的尺寸都有所不同，而且每一種方法都有自己的優(yōu)勢(shì)和弊端。現(xiàn)階段石墨烯的制備技術(shù)已逐漸成熟化，但是依然需要繼續(xù)探索，最大的瓶頸就是石墨烯的結(jié)構(gòu)可控以及規(guī)?；苽?。通過(guò)石墨的氧化制得氧化石墨，再通過(guò)對(duì)氧化石墨懸浮液超聲剝離制得氧化石墨烯溶液，最后利用各種還原劑對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原得到還原氧化石墨烯已經(jīng)成為一條比較有效的途徑。研究者對(duì)此方面的探索也做了很多努力，最普遍的就是利用改進(jìn)的Hummers法制備。

對(duì)于氧化石墨烯的還原方法有很多，如化學(xué)還原劑還原、高溫?zé)崽幚磉€原、電化學(xué)還原、水熱（溶劑熱）還原、催化或光催化還原、微波熱還原等還原方法[11]。然而多數(shù)還原方法條件苛刻、難以控制，用的較多的屬化學(xué)還原，主要有肼類還原劑[12-14]、金屬氫化物還原劑、活性金屬還原劑、還原性酸或酚類、堿性物質(zhì)（如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水等）、還原性糖、氫碘酸等多種還原劑[15-21]。目前的研究主要集中在肼類還原，但是肼類還原劑還原所得的還原氧化石墨烯的毒性限制了還原氧化石墨烯的使用范圍，尤其限制了石墨烯作為眼睛防護(hù)的光限幅材料的發(fā)展。

還原性糖（葡萄糖、果糖、蔗糖、殼聚糖等）屬于天然高分子，是一種無(wú)毒、環(huán)境友好型還原劑。目前關(guān)于殼聚糖作為氧化石墨烯還原劑的研究多集中在是否能得到性能良好的石墨烯納米片，依然處于初級(jí)階段的研究；此外，殼聚糖的還原效果與反應(yīng)溫度的關(guān)系說(shuō)法不一，有待繼續(xù)研究[22-23]。本文注重研究殼聚糖對(duì)氧化石墨烯的可控還原，以反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制氧化石墨烯的還原程度，以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的可控還原，為接下來(lái)進(jìn)行的不同還原程度的還原氧化石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì)的研究做準(zhǔn)備，目前對(duì)此方面的研究頗為少見(jiàn)。同時(shí)殼聚糖在此作為成膜基質(zhì)將石墨烯的光限幅研究由液相轉(zhuǎn)為固相，擴(kuò)大了石墨烯作為光限幅材料的應(yīng)用范圍，因此，本研究具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料

天然鱗片石墨，含碳量99%，青島天和達(dá)石墨有限公司；濃硫酸、硝酸鈉、高錳酸鉀，AR，上海高信化玻儀器有限公司；30%雙氧水，AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸，AR，上海高信化玻儀器有限公司；殼聚糖，AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；36%乙酸，AR，上海高信化玻儀器有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州世紀(jì)雙科實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），KQ-700B型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），GL-21M高速冷凍離心機(jī)（上海盧湘儀離心機(jī)有限公司），DZF-6050真空干燥箱（上海一恒科技有限公司），島津UV-2450 紫外可見(jiàn)（UV- vis）分光光度計(jì)[香港興萬(wàn)電子儀器（廈門）有限公司]，NEXUS-670 傅里葉紅外光譜儀（美國(guó) Nicolet公司），InVia 型激光拉曼光譜儀（富瑞博國(guó)際有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 氧化石墨烯的制備

利用Hummers修正法制備氧化石墨烯，將1g鱗片石墨和0.5gNaNO3放入三口燒瓶中，在冰浴條件下加入23mL濃硫酸，攪拌反應(yīng)5min后，稱取3gKMnO4，在不斷攪拌的條件下分批加入三口燒瓶中（每?jī)煞昼娨淮危?，并控制溫度?℃左右。待3gKMnO4全部加入后反應(yīng)10min，再將燒杯轉(zhuǎn)移至32～38℃的水浴中繼續(xù)攪拌，當(dāng)液體變得黏稠后（約90min），將46mL亞沸水分批加入黏稠組分中；保持此階段的溫度繼續(xù)反應(yīng)30min，再用亞沸水稀釋到140mL；然后加入30%的雙氧水，用來(lái)還原過(guò)量的高錳酸鉀，直至不再產(chǎn)生氣泡，溶液呈亮黃色。將此亮黃色溶液低速離心除去未反應(yīng)的石墨，取上層液體在高轉(zhuǎn)速（8000r/min）下離心5min，取下層沉淀，加入去離子水繼續(xù)離心洗滌，直到上層清液接近中性，取下層沉淀即得氧化石墨泥漿，60℃真空干燥，研磨后得到氧化石墨固體。

1.2.2 殼聚糖還原氧化石墨烯

將0.5g殼聚糖溶解于2%的乙酸水溶液，制備得殼聚糖溶液；稱取0.5g上述制備的固體氧化石墨于燒杯中，加入適量的去離子水進(jìn)行超聲，直至得到氧化石墨烯分散液。將制備好的兩種液體混合，37℃恒溫?cái)嚢?2h。反應(yīng)結(jié)束后，將混合溶液8000r/min離心60min離去未反應(yīng)的殼聚糖；再用2%的乙酸水溶液進(jìn)行水洗確保除去殼聚糖，再進(jìn)行多次水洗以洗去多余的酸。最后，60℃真空干燥10h得到還原氧化石墨烯。依據(jù)反應(yīng)時(shí)間制備不同還原程度的還原氧化石墨烯。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1為在反應(yīng)時(shí)間為72h的不變條件下，只改變反應(yīng)溫度（25℃、37℃、50℃）所得的還原氧化石墨烯和氧化石墨烯紅外譜圖。如圖1 所示，氧化石墨烯在3413cm?1處是氧化石墨烯羥基的伸縮振動(dòng)峰，在1726cm?1處是羧基官能團(tuán)中C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰，在1625cm?1的強(qiáng)峰主要是由石墨結(jié)構(gòu)中沒(méi)有被氧化的C=C結(jié)構(gòu)引起的。1204cm?1處是環(huán)氧基中C—O的振動(dòng)吸收峰，1055cm?1是C—O的伸縮振動(dòng)峰。從圖1中可以看到，經(jīng)過(guò)殼聚糖還原后，在氧化石墨中出現(xiàn)的3413cm?1處羥基峰、1726cm?1處羧基官能團(tuán)中C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰以及1055cm?1處C—O的伸縮振動(dòng)峰減弱，而在1204cm?1處環(huán)氧基中C—O的振動(dòng)吸收峰幾乎消失，這說(shuō)明殼聚糖對(duì)氧化石墨烯的確具有還原作用。而用殼聚糖作為還原劑來(lái)還原氧化石墨烯的報(bào)道也有看到。但是，對(duì)比不同溫度下還原所得的還原氧化石墨烯，并沒(méi)有明顯區(qū)別，效果基本相同，說(shuō)明溫度對(duì)殼聚糖還原氧化石墨烯影響較小，此種現(xiàn)象也有報(bào)道[24]。

a—GO；b—RGO-25℃；c—RGO-37℃；d—RGO-50℃

圖2為在反應(yīng)溫度為37℃的不變條件下，只改變反應(yīng)時(shí)間（24h、48h、72h）所得的還原氧化石墨烯和氧化石墨烯紅外譜圖。如圖2所示，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨烯還原程度增加（b、c、d），3413cm?1處的羥基振動(dòng)峰逐漸減弱，1726cm?1處的C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰和1204cm?1處的環(huán)氧基中C—O的振動(dòng)吸收峰甚至消失。1055cm?1處的環(huán)氧基中C—O振動(dòng)吸收峰也出現(xiàn)了強(qiáng)度不同程度的下降和藍(lán)移現(xiàn)象，這些都說(shuō)明含氧官能團(tuán)的減少，也表明了氧化石墨烯得到了還原。

a—GO；b—RGO-24h；c—RGO-48h；d—RGO-72h

2.2 XRD光譜分析

如圖3所示，依據(jù)布拉格方程2sin=(為晶面層間距，為衍射角，為衍射級(jí)數(shù)，為X 射線的波長(zhǎng)），由氧化石墨烯(001)晶面[22，25]的2值（9. 42°）可以算出其層間距= 0. 9440nm，在2為43°附近還出現(xiàn)一峰，這是氧化石墨(100)特征衍射峰[26]，這些都說(shuō)明氧化石墨烯已經(jīng)完全剝離。當(dāng)氧化石墨烯經(jīng)過(guò)殼聚糖不同時(shí)間的還原后，從圖3中可看到氧化石墨烯的（001）峰大幅度減弱，甚至消失；氧化石墨烯的（100）峰也明顯減弱。在2為28°附近出現(xiàn)類石墨（002）峰，而且隨著溫度的增加（002）峰寬度變窄，峰形變尖，但是區(qū)別不是特別的明顯。以上特征進(jìn)一步說(shuō)明氧化石墨烯得到了還原，同時(shí)也說(shuō)明溫度對(duì)殼聚糖還原氧化石墨烯的影響不是很明顯。

a—GO；b—RGO-25℃；c—RGO-37℃；d—RGO-50℃

如圖4所示，當(dāng)氧化石墨烯經(jīng)殼聚糖不同時(shí)間的還原后，氧化石墨烯(001)衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，?分別為28.5°、29.5°、28.4°處出現(xiàn)類石墨（002）特征衍射峰，可以算出其層間距分別是0.3150nm、0.3039nm、0.3154nm，相比于氧化石墨烯的層間距明顯下降，這是由于氧化石墨烯被殼聚糖還原后，含氧官能團(tuán)減少，石墨烯片與片之間較強(qiáng)的范德華力使得它們更容易團(tuán)聚的結(jié)果。另外，氧化石墨（100）特征衍射峰強(qiáng)度也有所減弱，這些現(xiàn)象都可以說(shuō)明氧化石墨烯得到還原，石墨烯的晶面逐漸完善。

a—GO；b—RGO-24h；c—RGO-48h；d—RGO-72h

通過(guò)以上兩種表征手段表明，在50℃以下相對(duì)低溫反應(yīng)體系中，殼聚糖對(duì)氧化石墨烯的還原效果依然存在；對(duì)于先前Guo等[22]的報(bào)道，在70℃以下，殼聚糖對(duì)氧化石墨烯的還原效果逐漸消失；而Justin等[23]在人體溫度37℃環(huán)境下成功利用殼聚糖對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原；導(dǎo)致這樣不同的結(jié)果的原因可能是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短不同的緣故。所以，在低溫環(huán)境下可以通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)低溫環(huán)境的不足，從而達(dá)到還原氧化石墨烯的目的。但是，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在低溫環(huán)境中，即使延長(zhǎng)時(shí)間，依然不能依靠體系反應(yīng)溫度來(lái)控制氧化石墨烯的還原程度。而以上的數(shù)據(jù)分析表明，通過(guò)反應(yīng)時(shí)間可以較好地控制氧化石墨烯的還原程度。

2.3 紫外可見(jiàn)吸收光譜表征

為了更好地說(shuō)明氧化石墨烯能夠得到不同程度的還原，對(duì)時(shí)間系列的還原氧化石墨烯進(jìn)行紫外可見(jiàn)吸收光譜分析。如圖5所示，氧化石墨烯在211nm和296nm處有2個(gè)較為明顯的特征吸收峰。211nm處的強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)于C=C鍵的π→π*躍遷，而296nm處的弱吸收峰對(duì)應(yīng)于C=O鍵的n→π*躍遷，隨著還原時(shí)間的增長(zhǎng)，氧化石墨烯296nm處的弱吸收峰消失，211nm處的峰（b、c）出現(xiàn)不同程度的紅移，表明石墨烯的共軛電子結(jié)構(gòu)得到不同程度的恢復(fù)，即還原程度不同。但是隨著時(shí)間的進(jìn)一步加長(zhǎng)，211nm處的峰又出現(xiàn)了藍(lán)移，這可能是因?yàn)檫€原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)還原后恢復(fù)的sp2雜化結(jié)構(gòu)又遭到破壞引起的。

a—GO；b—RGO-24h；c—RGO-48h；d—RGO-72h

2.4 拉曼光譜表征

拉曼光譜是用于表征碳納米材料結(jié)構(gòu)特征和性能的有效工具。碳納米材料拉曼光譜中的G峰（1580cm?1）代表sp2碳原子的E2g 振動(dòng)模型，代表有序的sp2鍵結(jié)構(gòu)，而D峰（1350cm?1）則代表位于石墨烯邊緣的缺陷及無(wú)定形結(jié)構(gòu)，通常用D峰和G峰的強(qiáng)度之比（D/G）來(lái)評(píng)價(jià)納米碳材料的石墨化程度，（D/G）之比越小，表明石墨的還原程度越高，比值越大表明石墨的氧化程度越大。

如圖6所示，石墨(a)在2700cm?1附近的峰是2D峰，源于兩個(gè)雙聲子非彈性散射。與石墨相比，氧化石墨烯(b)的D峰比G峰更強(qiáng)，說(shuō)明石墨經(jīng)過(guò)氧化過(guò)程，一部分sp2雜化轉(zhuǎn)為sp3雜化結(jié)構(gòu)，得到氧化石墨烯。經(jīng)過(guò)殼聚糖的還原，得到時(shí)間系列還原氧化石墨烯（c-24h、d-48h、e-72h）。理論上講，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，氧化石墨烯的還原程度應(yīng)逐漸增加，從圖6中可看到隨著時(shí)間的增加，曲線c(24h)和曲線d(48h)中D峰逐漸減弱，D/G比值逐漸下降，與理論預(yù)測(cè)一致，說(shuō)明sp2結(jié)構(gòu)有不同程度的恢復(fù)，即氧化石墨烯得到不同程度的還原。但是，隨著時(shí)間的進(jìn)一步增加，曲線e中的D峰反而比氧化石墨烯更大，D/G比值也較大，說(shuō)明sp3雜化結(jié)構(gòu)又重新增大，這可能是由于經(jīng)過(guò)殼聚糖長(zhǎng)時(shí)間的還原，sp2雜化結(jié)構(gòu)又被破壞，轉(zhuǎn)化為其他的sp3雜化結(jié)構(gòu)，即可能生成其他新的結(jié)構(gòu)。

a—GO；b—RGO-24h；c—RGO-48h；d—RGO-72h

3 結(jié) 論

利用Hummers修正法制備氧化石墨烯，用殼聚糖作為“綠色”無(wú)毒還原劑還原氧化石墨烯，結(jié)果表明：①在50℃以下的低溫環(huán)境下，溫度不能有效控制氧化石墨烯還原程度；②通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)氧化石墨烯的可控制還原；③在利用反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制氧化石墨烯的還原程度時(shí)，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，石墨烯的sp2雜化結(jié)構(gòu)易被破壞，時(shí)間上限必須控制好。

綜合上述討論，可以通過(guò)時(shí)間的調(diào)控實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的可控還原，為研究不同還原程度還原氧化石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

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Controllable reduction and characterization of graphene oxide

，

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Graphene oxide (GO) was prepared by modified Hummers，the reduction of GO was developed by using chitosan (CS)，which is nontoxic and environment-friendly as a “green” reducing agent. And the reduction degree of GO was controlled by the temperature and time of reaction. The RGO was characterized with Fourier transform infrared spectroscopy，X-ray diffraction spectroscopy，UV visible absorption spectroscopy，and Raman spectroscopy. Analysis shows that the change of temperature could not effectively control the reduction degree of GO. In 50℃ low temperature environment，the different reduction degrees of reduction graphene oxide could be obtained by controlling the reaction time，this result lay the foundation for the study of nonlinear optical properties of different reduction degree RGO.

graphene oxide；graphene；controllable reduction

O 613.71

A

1000–6613（2015）09–3383–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.028

2014-12-01；修改稿日期：2015-02-10。

趙靜（1989—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：張紅，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail zhanghonglindi@163.com。