1、石墨烯电化学性质的测定摘要:本实验以石墨为原料，通 过改进的 Hummers 方法制备氧化石墨，在水中超声分散后得到石墨烯水溶胶，肼还原得到石墨烯聚集物。采用循环伏安法研究了样品的充放电性能。结果表明：石墨烯可以作为电极材料，并且具有一定的吸附能力。关键词：石墨烯 循环伏安法 电化学性质The preparation of graphene and its eletrochemical performanceAbstract: Graphene was oxidized graphite with modifed Hummers method and made into aqueous col
2、loid oxidized graphene layers.The graphene was gotten by reducing the graphene layers with hydrazine.Using the cyclic voltammetry method investigates the electrochemical performance. The results show that graphene can be used as electrode materials, and it has absorption capacity.Key words：graphene;
3、 cyclic voltammetry method; electrochemical performance 一一 前言：石墨是由碳原子组成的二维网状结构的有序堆积而成的晶体。单层的网状平面在自然界中并不能稳定存在。2004 年 Novoselov 用机械的方法成功将石墨烯片层结构剥离。观察到石墨烯层片的存在。 这种二维有序晶体的存在具有独特的电化学性能和光学性能。其电子符合狄拉克方程而不是薛定谔方程。由于避免 电子传输过程中在石墨中层见的散射，电子在常温下的传输速度可以达到光速的 1/300，远高于电子在一般的 导体中的传输速度。石墨烯还可以看做是大的层片分子，双面都可以吸附小分子。石墨本
4、身具有良好的导电性，石墨 烯的开放表面和规整的层片结构有利于加快离子的吸脱附速度，如果用于超级电容器的电极材料可望获得优异的双电层容量和大的功率。本文用改进的 Hummers 方法 对石墨进行氧化， 经分散、还原得到石墨烯；并用循环伏安法测定了石墨烯做为电极材料的充放电性能、对离子的吸附性能。一一 实验部分：2-1 实验 目的：（1）初步探究新型纳米材料石墨烯作为电极的充放电性能，吸附性能。(2) 学习简单 的电极制备方法。(3) 熟悉循 环伏安法测定电极性质的方法。2-2 实验 原理：循环伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速率扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一
5、设定的起始电位，循环伏安法电位与时间关系如图：如果溶液中存在氧化态物质，当正向电压扫描时， 发生还原反应 得到上半部分的还原波，称为阴极支；当反向电压扫描时，发生氧化反应 得到下半部分的氧化波，称为阳极支。阴极支和阳极支组成循环伏安法。循环曲线得到：2-3 实验 步骤：2-3-1 电极的制 备：（1）.将一根导线插入粗细合适的玻璃管并适当地塞入绝缘物使导线不会松动。制备电极一端的导线金属丝应露出胶皮少许，而导线应缩入玻璃管少许，如下图：（2）.称取 0.0106g 的粉末状石墨烯与 0.0596g 石蜡，微热使石蜡融化，搅拌使液态石蜡与粉末石墨烯混合均匀呈糊状。（3）.将玻管制备电极的一端压入
6、糊状物。反复多次直到糊状物塞满玻管制备电极端的缝隙。糊状物冷却变硬后，将电极端在砂纸上打磨光滑即制得电极：注意：.石墨烯与石蜡比例过高，则电极不牢固无法使用；比例过低，则导电性差无法使用。因此若制得电极无法使用，则应改变石墨烯与石蜡的比例按上述步骤重新制备电极。2-3-2 电解液的配置：（1）空白溶液：称取 KNO31.0285g 溶解在去离子水中，用 100ml 容量瓶定容。得到 KNO3溶液 0.1017mol/L.（2） 溶液的配制：/Fe称取 3.2925g，KCl14.91g 溶解在离子水中，用 100ml 容量瓶定容。得36()KCN到 溶液 0.00997mol/L，底液 2mo
7、l/L.e(3)硝酸铅溶液的配制称取 0.3486g，KNO31.1029g 溶解在离子水中，用 100ml 容量瓶定容。得3()PbNO到 溶液 1.0525mol/L，底液 0.1mol/L.2-3-3 电化学性 质的测定：本实验采用 LK98型微机电化学分析系统。实验方法选择循环伏安法。以 2-2-1中制备的石墨烯电极为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极。 扫描速率为 .10/As(1) 取空白溶液 20ml 放入 100ml 烧杯中，将三电极放入烧杯中。寻找合适参数，得到循环伏安图。（2）清洗电极，取 溶液 20ml 放入 100ml 烧杯中，放入三电极，得到循 环23/Fe
8、伏安图。（3）清洗电极，将硝酸铅溶液放入 100ml 烧杯中，循环三次，得到循 环伏安图，并浸泡 5min，取出后在空白溶液中得到循环伏安图。三 结果与讨论：3-1 实验结 果：（1）石墨烯电极在空白溶液的循环伏安曲线：在空白溶液的充放电曲线中可以看出正向扫描和反向扫描的电流曲线具有一定高度差，说明该电极具有一定的电容。在 -0.75V 左右有一个氢吸脱附的峰，在循环第一圈时看到 0.6V 左右有一个还原峰，而后来的几圈都不出现，可能是电极表面有杂质的原因。该电极电容与电极界面的表面积有关，也与样品和石蜡组成相关。样品成分越多，电极表面越大， 电容越大。因此，我们可以制作一系列样品和石蜡不同配
9、比的电极来寻找制备电极的最佳组成。（2）石墨烯在 溶液中的循环伏安曲线：23/Fe该曲线可以看出对于 Fe 的氧化还原反应为由循环 5 次的结果来看，除了第一次循环的曲线外，后来 4 次循环曲线基本重叠， 说明这 4 次循环具有良好的重复性。本实验主要用来分析电极反应的可逆性:首先，从图形上来看，氧化峰和还原峰具有一定对称性。氧化峰电流 ，1.paimA还原峰电流 ， ，可以初步认为该电极反应是可逆的。氧化峰1.pcimApaci电位为 ，还原峰电位为 ，本实验还可以配制不同浓度的08aV0.45pV样品溶液，在同一扫描速率下进行测量；或者对于同一浓度的样品溶液，采用不同的扫描速率进行作图。从
10、而证明峰电位与扫描速度无关，进一步证明电极的可逆性。通常认为 ，则该电极反应不可逆。但是此反应中从图形和0.37.65pV峰电流来看可能具有可逆性，同时， 与 相互转化的反应36()FeCN46()e理论上应是电极表面发生的可逆反应，只受传质过程中扩散的影响。造成 偏p大的原因可能是溶液中有杂质，或者是循环次数过少，溶液还没有足够稳定。（3） 吸附性实验：2Pb将硝酸铅溶液放入 100ml 烧杯中，循环三次，得到循环伏安图：由此图可以看到循环第一圈时有三个氧化峰，一个还原峰。循环第二圈第三圈时-0.3V 左右的氧化峰逐渐变得越来越小。 该氧化峰应该 是释放 的峰。该峰逐渐2O变小说明反应速率逐
11、渐变慢。第一圈时在-0.8V 左右出 现 的峰，Pbe该峰逐渐变小，在后面两圈中 0.6V 左右出现了析氢峰。此时溶液中的 已经2b全部析出，该反应重新变为电解水的反应。并浸泡 5min，取出后在空白溶液中得到循环伏安图：该曲线同空白溶液中的曲线相比没有明显变化，而同上图相比，特征峰也没有出现，说明吸附现象并不明显。 这里主要问题是实验方法上的一个错误。在 检查有没有吸附性时应该从 1.000V 向-1.000V 扫峰。这样使得原本应该出现的 Pb 还原峰又在从-1.000V 电位向 1.000V 电位扫描的过程被氧化，因此看不到吸附现象。3-2 本 实验的后续思考：由于时间、精力以及经验的关
12、系，本 实验有以下不足，希望有机会能完善 这个实验。（1（ 本实验不够严密, 只是做了石墨烯作为电极时的循环伏安曲线。没有做相同条件下的石墨和碳电极的伏安特性曲线。这样就不能有效说明石墨烯作为电极的优劣性。同时，本 实验的石墨烯是片层结构，不是粉末状，也就是尺寸还是比较大的，会影响导电性。同时石蜡比例比较大，也一定程度上影响导电性。（2（ 对于 这一组，为了进一步得到电极反应的动力学性质，可以配23/Fe制不同浓度的样品溶液，在同一扫描速率下进行测量；或者对于同一浓度的样品溶液，采用不同的扫描速率进行作图。从而得到还原峰或氧化峰电流与浓度、速率的关系，从而进一步说明反应是由反应物的扩散控制，还是电极具有催化作用。（3（ 实验三由于实验方法的错误，导致了没有测出吸附性质。参考文献碳纳米管电极上的电化学行为分析胡陈果 重庆大学应用物理系 微纳电子技术 2003.7仪器分析实验中国科学技术大学 2005.3preparation and structure properties of graphene Yang Rong, Gao min Carbon 2008-05-09采用循环伏安法研究微孔型多孔碳的电极特性张琳 湖南大学 中国有色金属学报2006.1
