第3期 2017年6月 矿产保护与利用 CONSERVATION AND UTILIZATION OF MINERAL RESOURCES №.3 Jun.2017 石墨烯的制备及其在光催化材料中的应用 李珍 ,杨剑波 ,刘学琴 ,沈毅 ,李云国。,张寄丹。 (1.纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心,湖北武汉430074;2.中国地质大学材料与化学学院,湖北 武汉430074;3.黑龙江省第六地质勘察院,黑龙江佳木斯1 54000) 摘要:以黑龙江鸡西柳毛鳞片石墨为原料制备石墨烯,重点探讨了氧化剂配比、氧化时问对氧化石墨结构 的影响,表征了氧化石墨、氧化石墨烯与石墨烯的晶体结构与形貌特征。并将石墨烯与氧化锌纳米棒阵列 (RGO/ZNRs)复合,研究了石墨烯浓度对石墨烯/氧化锌纳米棒阵列复合材料光催化降解性能的影响,分析 了复合材料的光降解机制。结果表明:鸡西柳毛天然鳞片石墨成功制备成单层或少层还原氧化石墨烯片,厚 度为1.1~1.3 nm。石墨烯的引入有效增强了RGO/ZNRs复合材料光催化降解性能。当石墨烯浓度为2 agr/mL时,RGO/ZNRs复合材料中石墨烯的含量达到最优值,光催化性能最佳。 关键词:石墨;石墨烯;RGO/ZNRs复合材料;光催化降解 中图分类号:TB383文献标识码:B文章编号:1001—0076(2017)03—0084—06 DO::10.13779/i.cnki.issnl001—0076.2017.03.016 Preparation of Graphene and Its Application in Photocatalytic Materials L/Zhen1 .YANG Jianboi .LIU Xueqini ,SHEN Yii ,LI Yunguo3ZHANG Jidan3 ,(1.Engineering Research Center of Nano—geomaterials of Ministry of Educationm,Wuhan 430074,Chi— na;2.Faculty of Materials Science and Chemisty,Chirna University of Geosciences,Wuhan 30074,Chi4— na;3.The Six Institute of Geology Exploration of Heilongjiang Province,Jamusi 154000,China) Abstract:Graphene had been fabricated using Heilongjiang Jixi Liumao lfake graphite as raw mate- rials.The effects of oxidant ratio,oxidation time O13 crystal structures and morphology features of graphite oxide,graphene oxide and graphene had been characterized and analyzed,respectively. The effect of KMnO4 dosage on the quality of graphite was discussed in detail.Then we combined ZnO nanorod arrays(RGO/ZNRs)with the graphene,and the effects of graphene concentration on the photocatalytic degradation properties of RGO/ZNRs had been studied.Additionally,the photo— degradation mechanism of the composites had been investigated.it turns out that the fabricated gra— phene exhibited one or several layers for the less thickness(1.1—1.3 nm).The RGO/ZNRs dis— played an enhanced photocatalytic degradation property due to the introducing of graphene.Final— ly,when the concentration of graphene is 2 mg/mL,the composites gain the optimal photocatalytic performance. Key words:graphite;graphene;RGO/ZNRs composite;photocatalytic degradation 石墨在电气工业、化学工业、冶金铸造、核工业、 航天工业等诸多领域中都有广泛的应用。随着石墨 收稿日期:2017—04—12 基金项目:黑龙江国土资源厅项目(201602) 作者简介:李珍(1963一),女,山西临汾人,博士,教授,主要从事矿物材料功能化研究。 第3期 李珍,等:石墨烯的制备及其在光催化材料中的应用 ・85・ 深加工技术和工业的发展,石墨的应用领域还在不 断拓宽,已成为高科技领域中新型复合材料的重要 1石墨烯的制备及影响因素 1.1 石墨烯制备工艺 氧化还原法制备石墨烯具有产品分散性好、成 本低、工艺简便、适合工业化等优点,已成为科研工 作者的研究焦点。改进的Hummersl5 法是制备氧 化石墨最常用的方法,具有产量大、绿色环保、适合 原料,在国民经济中具有重要的作用 J。中国石墨 矿资源丰富,截止2016年,中国储量为264 528.9 万t(国土资源部信息中心)。尽管中国石墨矿储量 丰富,但目前石墨深加工技术薄弱。针对石墨的现 状和发展形势,深入探讨石墨深加工技术,对于石墨 产业的发展具有重要意义 J。 石墨烯单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶 工业化生产等突出优点。为了提高石墨的附加值, 以鸡西天然鳞片石墨为原料,采用改进的Hummers 格结构,使其具有独特的性能和广阔的应用潜力,已 经成为材料科学最为活跃的研究领域。而如何利用 天然石墨低成本高质量的制备石墨烯及其复合材 法制备氧化石墨,通过超声剥离氧化石墨制备氧化 石墨烯,利用热还原法制备还原氧化石墨烯(简称 石墨烯),制备工艺流程见图1。 料,提高石墨资源的附加值是当前的重点研究方 向 。本文选取黑龙江柳毛鳞片石墨制备还原氧 化石墨烯,重点探讨了氧化剂配比、氧化时问对氧化 石墨结构的影响,分析表征了还原氧化石墨烯的结 1. 构特征。在此基础上将石墨烯与金属氧化物复合, 并探讨了石墨烯浓度对复合材料光催化降解性能的 影响,初步分析了石墨烯引入提高光降解的机理。 图1 石墨烯的制备工艺流程图 选取不同氧化剂配比和氧化时间进行对比实 验,探讨制备工艺对氧化石墨结构和氧化程度的影 研究对提高石墨资源深加工技术,拓宽石墨应用领 域有一定的指导意义。 响,具体见表1。 表1 工艺参数及样品编号 1.2 工艺条件对氧化石墨结构的影响 1.2.1 不同氧化剂配比对氧化石墨结构的 影响 对不同氧化剂配比制备的氧化石墨进行XRD 分析,结果见图2。 从图2可以看出,天然鳞片石墨在2 0为26.7。 处的衍射峰为石墨(002)晶面衍射峰,根据布拉格 方程2 dsin0=nA计算可知,层间距为0.33 rim。经 过氧化插层作用,天然石墨(002)晶面衍射峰完全 消失,在2 0为10。附近出现一个新衍射峰,表明石 墨完全转化为氧化石墨。不同配比氧化剂制备的氧 化石墨特征衍射峰强度,随高锰酸钾用量增大而增 强,且随着高锰酸钾用量的增加,氧化石墨层间距逐 渐增大。 图2不同氧化剂配比制备的氧化石墨 ̄RD图 对不同试剂配比制备的氧化石墨进行红外光谱 分析,结果见图3。 ・86・ 矿产保护与利用 (. 一 uca|一 啦c 一 Wavenumber(cm。} 图3不同氧化剂配比制备的氧化石墨FTIR图 从图3可以看出,随着高锰酸钾用量增大,sp2 C=C键的伸缩振动峰逐渐减弱,表明氧化石墨含有 的未被氧化的sp2 C=C键数量逐渐减少,氧化程度 不断增大。从吸收峰强度变化可以看出,高锰酸钾 用量增大,氧化石墨氧化程度逐渐增强,此结论与 一-订 订一m c。J 埔盘 _L XRD分析结果一致。 1.2.2 氧化时间对氧化石墨结构的影响 利用XRD对不同氧化时问制备的氧化石墨进 行分析,结果见图4。 20《degree} 图4不同氧化时间制备的氧化石墨的XRD图 从图4可以看出,在6~24 h氧化范围内,随着 氧化时间的延长,氧化石墨衍射峰的强度不断增强, 峰位向低角度移动。当氧化时间为24 h时,氧化石 墨层间距达最大值,获得适宜氧化程度的氧化石墨。 当氧化时间超过24 h后,随着氧化时间的延长,氧 化石墨特征衍射峰的强度和峰位基本不变,大于24 h的氧化时间对氧化程度的影响较小。 对不同氧化时间制备的氧化石墨进行红外光谱 ‘. .幛一誊一∞cm c— 分析,结果见图5。 KS-20-4g ‘\ / !KS-20-6 , ,, ;; 35110 3000 2500 2000 1500 tooo 50o Wavenumber fcm。’) 不同氧化时间制备的氧化石墨的FTIR图 从图5中可以看出,氧化时间6—24 h范围内, 随着氧化时问的延长,含氧官能团和吸附水分子振 动引起的吸收峰强度逐渐增强,当氧化时间超过24 h,继续延长氧化时间,含氧官能团的种类未发生变 化,并且含氧官能团和吸附水分子振动引起的吸收 峰强度无明显变化,说明当氧化时间超过24 h,延长 氧化时间对氧化程度的影响较小,这与XRD分析结 果一致。 2石墨烯结构特征 2.1 石墨烯晶体结构 分别对天然鳞片石墨、氧化石墨(GO)和石墨烯 (RGO)进行XRD分析,结果见图6。 图6天然鳞片石墨(a)、氧化石墨(b)和 石墨烯(C)的XRD图谱 从图6可知,天然鳞片石墨(图6a)在2 0: 26.8。处的衍射峰归属于石墨(002)晶面衍射峰,峰 形尖锐,表明石墨的结晶度较高。经氧化处理后,石 t. 。m一 第3期 李珍,等: 墨烯的制备及 光催化材料rlt的心川 ・87・ 墨的(002)晶面衍射峰消失,在2 0=10.1。附近出 峰)的比(f=【ID/IG,从鳞片石墨一氧化石墨一 墨烯 依次增大,无序度增加,说明氧化石墨已热还原为 墨烯。 现一个强度较弱的特征衍射峰,表明石墨经氧化层 间距增大,有序度变差。官能团和层问水分子的嵌 入是层间距加大的主要原因。此外,强酸作用对石 墨晶型造成破坏,并产生大量缺陷,导致结晶度变 差。经过超声振荡和还原处理,氧化石墨的特征衍 射峰消失,在2 0=25。出现弥散衍射峰(图6c),此 峰位置接近石墨(002)晶面的衍射峰位置,但峰型 较宽、强度很弱,表明氧化石墨晶体结构被破坏,无 序度增加,形成还原氧化石墨烯。 2.2 石墨烯的红外光谱与拉曼光谱特征 分别对天然鳞片石墨、氧化石墨和石墨烯进行 红外光谱和拉曼光谱分析,结果见图7、图8。 图8天然鳞片石墨(a)、氧化石墨(b)和 石墨烯(C)的拉曼光谱图 2.3氧化石墨烯的形貌 3 o 采用原子力显微镜(AFM)测量氧化石器烯的 厚度,结果见图9。 2 & 们 C 芒 I'- Wavenumber(era’’) 图7天然鳞片石墨(a)、氧化石墨(b)和 石墨烯(C)的红外光谱图 肌pm ;{ ~“一 ~一从图7可知,天然鳞片石墨(图7a)的红外光谱 曲线平滑,官能团对应吸收峰较弱。由图7(b,c)可 知,位于3 352 ClTI~、1 735 cm~、l 620 cm~、I 404 cm~、f ~王 £————一— ——~ :4 Vertiezldistance:1.2nm ?‘ ‘。o} m 6¨ #oo 1 227 cm 和1 052 cm 处的峰分别对应于 图9氧化石墨烯的AFM图 吸附水分子0一H键的伸缩振动、羧基C=0键或 羰基的伸缩振动、未氧化的sp2 C=C键的伸缩振 动、羟基0一H的变形振动、C一0的伸缩振动、环氰 Ii] 9『1丁知,不同lx二域氧化 景烯片层厚度分 别为:1.1 Ilnl( 9a)、1.3 Nm、1.2 nm(图9h)和1.2 nm( 9c),说明氧化 墨烯以单层或少层的形式 仔在,片层厚度约为1.1~1.3 nm,测最结果与文献 报道的 层氰化石耀烯厚度卡u一敛 。 基C一0的伸缩振动。经过热还原后,原氧化 避 位于1 052 am~、l 227 cm~、l 404 cm 以及l 735 cm 处的吸收峰明显减弱甚至消失,而在3 354 cm 和l 624 cm 处仍存在吸附水分子羟基O—H 3 石墨烯在光催化材料中的应用 以硝酸锌乖¨氨水为原料,采J}j湿化 法(义称 共沉淀法,或有液十『I参加的、通过化学反应制备材料 的方法)在Fe—Co—Ni合金基底_l 制备ZnO纳米棒 阵列(ZNRs),采用溶液法成功合成具有较高光催化 的伸缩振动和变形振动,但峰强明显减弱,表明含氧官 能团基本被去除,氧化石墨烯转化为石墨烯,见图7c。 由图8可知,天然鳞片石墨、氧化石墨和石墨烯 的特征拉曼峰:1 580 cIn‘。(G峰)和1 350 cm (D ・88・ 矿产保护与利J¨ 活性仃 烯/ZnO纳米棒阵列(RGO/ZNRs)复合材 料。 点研究了石墨烯的引入对复合材料光催化降 解性能的影响。 3.1 RGO/ZNRs复合材料物相表征 为J,r解RGO/ZNRs复合材料的物相特 ,采 川XRD埘氧化石墨烯、ZnO以及RGO/ZNRs复合 {=计料结构进行表征,结果见 10。 图11 ZNRs及RGO/ZNRs复合材料SEM图 .旦 C 3.3 RGO/ZNRs复合材料光催化性能及增 强机理 为r_r解石墨烯含馈对RGO/ZNRs复合材料 光催化 !能影响,采 0.5 n1g/tl1I 、2 lT1g/mI 和8 rg/mL仃器烯与ZnO复合,制胬RGO/ZNRs复合材 a料 。。催化剂,对}}l皋橙进行光能化降解实验.结 2 三 图10 GO、ZNRs及RGO/ZNRs复合材料XRD图 12、 I}1}冬{10呵以看到,XRD图谱中化于2 0= 31.4。、34.2。、35.9。、47.1。和62.4。处的衍射峰分别 对应六力‘纤锌型ZnO的(1O0)、(002)、(101)、 1 O LIahtOff Light oft ● j - ib ■ NO catalyst r ● O 8 I V 、 ● ● (102)和(103)品 ,表明产物为ZnO(JCPDS 片 0 8 :36—145】),并H(002)衍射峰强度很强,表明 ZnO纳米棒是沿着c轴垂直于綦底取向生长的。引 入 墨烯后,RGO/ZNRs复合材料的XRD曲线与纯 ZnO卡H似,_mj归属于氧化石墨烯特征衍射峰(2 0= 9.4。)并术f¨现,这可能是由复合材料中石墨烯含量 较小h分敞成度较高引起的,此特征 前人研究报 道卡日似 一 、 一 ▲ ’ 。 。 o c)0 d ● ^ ● 0 2 RG。 0 0 : : 。。 -Rm 。RGO/ZNRs-o 5m ̄mL 30 0 30 6O 90 '2O 150 18O Time(min) 3.2 RGO/ZNRs复合材料的形貌 埘ZNRs及RGO/ZNRs复合材料的形貌进行 描电镜(SEM)分析,结果见 1 l。 图1 2 可见光照射下RGO/ZNRs复合材料 光催化降解曲线 由图l2叮知,不同含量石墨烯制备的RGO/ ZNRS复合材料均具有较好的吸附性能:l5%~ 25%。宅 实验证明在没有RGO/ZNRs复合材料 存在的情况下,甲基橙在模拟太阳光的照射一F儿乎 从 lJ(a,b)可以看出,ZnO纳米棒沿着c轴 乖肖于 底, 现良好的取向生长,ZnO纳米棒 径 约100 lqnl,长度约2 m。引入石墨烯后,复合材料的 形貌女f1图1 1(c,d)所示,从图l I c可以看到,石墨 不发生降解,而RGO/ZNRs复合材料与纯ZnO比较 对甲綦橙溶液rf1光催化降解效率明显提高。作为参 照的纯ZnO在模拟太阳光照下的光催化活性 较低, l80 min后降解率仅为40.1%, RGO/ZNRs复合 烯大【f汀积分布 ZnO纳米阵列表面, 与ZnO纳米 棒尖端接触卜分紧密(图11t1),二者良好的接触1为 ZnO光电化学 能的增强奠定_r甚础