近幾年，氧化石墨烯（ Graphene oxide， GO）作為一種能批量制備石墨烯的中間體引起了研究者的廣泛關(guān)注。 GO是大量氧化石墨分散于水溶液中產(chǎn)生的單分子層，而氧化石墨（ Graphite oxide）是布朗斯特酸（硫酸、硝酸等）-石墨層間化合物在強(qiáng)氧化劑（高錳酸鉀、高氯酸鉀等）作用下氧化并經(jīng)水解而成的共價(jià)鍵型石墨層間化合物。相對(duì)于石墨烯研究的短暫歷史，氧化石墨的研究則可追溯到1859年。英國(guó)化學(xué)家Brodie在探究石墨結(jié)構(gòu)的過(guò)程中， 利用氯酸鉀和發(fā)煙硝酸的混合物處理石墨首次制備出氧化石墨。自此，氧化石墨的研究從制備方法到結(jié)構(gòu)模型的完善再到應(yīng)用的
探索就從未停止。通過(guò)液相化學(xué)氧化制備氧化石墨的方法主要包括： Brodie法、Standenmaier法和Hummers法。三種方法都是在強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑存在的條件下進(jìn)行石墨的插層氧化，其中Hummers法因具有反應(yīng)簡(jiǎn)單、反應(yīng)時(shí)間短、安全性較高和對(duì)環(huán)境的污染較小等優(yōu)點(diǎn)而成為目前普遍采用的方法之一。
合成方法和氧化程度決定了氧化石墨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。石墨的氧化程度則可以通過(guò)碳氧的原子比來(lái)衡量，這與合成技術(shù)和反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。經(jīng)插層氧化后，氧化石墨仍然保留著母體石墨的層狀結(jié)構(gòu)，由于水分子的插層，層與層之間是膨脹的，層間距大約是石墨的兩倍（ 7?）。從化學(xué)角度上講， GO與氧化石墨相似；從結(jié)構(gòu)上講，二者則完全不同。與保留堆垛結(jié)構(gòu)的氧化石墨相比， GO是被剝落為單層或多層的堆積。由于氧化石墨的親水性，表面官能團(tuán)很大程度上削弱了層與層之間的相互作用，因此，熱方法和機(jī)械方法都可用于剝離氧化石墨來(lái)制備GO，其中在水中利用超聲或是機(jī)械攪拌氧化石墨是最常用的方法。但是，要獲得高質(zhì)量單分散的GO水溶液，石墨插層氧化過(guò)程的反應(yīng)條件是關(guān)鍵，這是由于在溶液中GO的最大分散性取決于溶劑和氧化過(guò)程中表面功能化的程度。
對(duì)Hummers法進(jìn)行優(yōu)化，利用高錳酸鉀和濃硫酸對(duì)平均尺寸為30 μm的石墨片(如圖2-1所示)進(jìn)行插層氧化，然后通過(guò)超聲作用對(duì)氧化石墨進(jìn)行剝離來(lái)制備單分散GO水溶液。具體如下： 1）低溫反應(yīng)過(guò)程中，加料方式的控制； 2）高溫反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度的控制； 3）后處理過(guò)程中，干燥溫度的選擇。在成功制備單層GO的基礎(chǔ)上，對(duì)其光譜學(xué)性質(zhì)、表面形貌、結(jié)晶狀態(tài)及電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。
具體實(shí)驗(yàn)如下：
1. 在室溫下，將 30 μm 的顆粒狀天然石墨 2 g，硝酸鈉 1 g 加入 250 mL 三口瓶中冷卻至 0 ℃；再將 50 mL 濃硫酸緩慢加入三口瓶中充分?jǐn)嚢?30 min，并保持反應(yīng)體系的溫度不高于 5 ℃；然后，將 0.3 g 高錳酸鉀加入三口瓶中并充分?jǐn)嚢?30 min，同時(shí)保持反應(yīng)體系溫度不高于 10 ℃；在 1 h 內(nèi)，再將 7 g 高錳酸鉀分 3 批加入三口瓶中，保持反應(yīng)體系溫度不高于 20 ℃，此階段為低溫反應(yīng)。
2. 撤走冷浴，用水浴將反應(yīng)體系加熱至 35±3 ℃，并充分?jǐn)嚢?2 h，得到褐色懸浮液，此階段為中溫反應(yīng)。
3. 將 90 mL 水緩慢滴加入褐色懸浮液中，體系溫度驟然升高至 90 ℃，并伴有大量氣體生成，稀釋的懸浮液在此溫度下反應(yīng) 15 min，此階段對(duì)高溫反應(yīng)。
4. 向懸浮液中加入 H2O2（ 30%， 7 mL）與超純水（ 55 mL， 45 ℃）的混合溶液，并得到亮黃色氧化石墨分散液。
5. 將懸浮液趁熱過(guò)濾，得到黃褐色濾餅。用 150 mL 稀鹽酸（ 3%， 45 ℃）將濾餅洗滌 3 次后分散于 600 mL 水中，然后離心（ 4000 rpm， 20 min）分離凝膠狀氧化石墨。最后，將其轉(zhuǎn)移至 40 ℃真空干燥箱，干燥 24 h 后得到氧化石墨。
6. 將初生成的氧化石墨分散于超純水中形成棕色懸浮液，通過(guò)透析除去殘留的酸和鹽。純化后的氧化石墨懸浮液分散于水中形成不同濃度 （ 0.01 mg/mL～1 mg/mL）的黃褐色分散液，利用超聲（ 200 W， 80%）將氧化石墨脫落30min。最后，將得到的棕色分散液離心（ 3000 rpm， 30 min）轉(zhuǎn)移未被脫落的氧化石墨。
