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【摘要】完整的石墨烯具有良好的导电、吸附等性能，在很多领域都得到了广泛应用。本文我们将对石墨烯最新的制备技术进行论述，同时就其对甲苯和乙酸乙酯的吸附性能问题做出探究。
【关键词】石墨烯；吸附性；制备；甲苯；乙酸乙酯
中图分类号：K826.13
一、石墨烯结构及性质简述
石墨烯是由sp2杂化的碳原子排列成蜂窝状晶格结构得到的单层二维材料，厚度只有0.3554nm，这种严格的二维结构使石墨烯展现出许多优异性能。石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1 TPa，是目前已知强度最高的材料。石墨烯的导电性能极佳，室温下载流子迁移率可达2×105cm2/（V·s），而且不随温度变化和化学掺杂而降低。石墨烯的室温热导率为5×103W/（m·K），是室温下铜热导率的10倍多。同时，石墨烯还具有高达2 630 m2/g的理论比表面积。
石墨烯的理想结构是一种平面六边形点阵，可看作是一层被完美剥离的石墨分子，石墨分子中的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个P轨道上的电子形成大π键，且π电子可以自由移动，体现为石墨烯具有良好的导电性。这种二维的石墨烯结构可被认为是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
二、石墨烯材料的制备步骤
为充分利用石墨烯的这些特性，科学家采用各种方法尝试石墨烯的规模化制备。石墨烯最初由机械剥离法制得，随后又发展出晶体外延生长法、化学气相沉积法、液相直接剥离法、高温脱氧还原法和化学还原法等制备方法。其中化学还原法由于原料来源丰富、价格低廉，使石墨烯的大规模、低成本生产成为可能。化学还原法一般由Hummers法制备氧化石墨，然后通过超声分散氧化石墨溶液，得到氧化石墨烯，最后使用水合肼还原得到石墨烯。由于水合肼有毒，对人危害性很大，采用性能稳定、还原性很强又安全的二氧化硫脲作为还原剂，能够在碱性条件下得到还原程度较高、分散性较好的石墨烯。
1、氧化石墨的制备
在冰水浴中装配好500 mL的三口反应瓶，加入96 mL浓硫酸，边搅拌（转速约为100 r/min）边加入2 g石墨粉和1 g硝酸钠的固体混合物，搅拌30 min。分12次加入12 g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌90 min。接着升温到35℃左右，搅拌2 h。加入80 mL水（30 min内缓慢加入，体系温度升到90℃左右），再加入200 mL温水（35℃）进行稀释，同时加入50 mL（30%）的双氧水，溶液从棕黑色变成鲜亮的黄色。继续搅拌10 min。超声30 min后真空抽滤，用500 mL5%的稀盐酸洗涤产物，用去离子水充分洗涤直至滤液中无硫酸根离子（Bac12溶液检测），pH=7，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨（GO）。最后在60℃的烘箱中干燥24 h，保存备用。
2、石墨烯的制备
将500 mg的氧化石墨分散于300 mL水溶液中，得到棕黄色的悬浮液，在超声条件（超声频率为40 kHz）下分散2 h，得到稳定的分散液。加入2 g二氧化硫脲、5 g氢氧化钠，95℃水浴中搅拌反应5 h，溶液由黄褐色变为黑色。将样品抽滤，产物依次用乙醇和水冲洗多次，在40℃的真空干燥箱中充分干燥，保存备用。
三、石墨烯的吸附性原理及影响因素
完整的石墨烯是完美的平面的网状晶体结构，它的吸附性能很好，其能带结构中帯隙为零，而且没有磁性。石墨烯吸附原子可能改变这些性质，而掺杂和空位都可以促进吸附的进行。石墨烯能够吸附和脱附各种原子和分子，如氨气、二氧化氮、氢离子、氢氧根离子、钾离子等，因此可用于生产及实验过程中甲苯和乙酸乙酯的去除。
1、吸附原理
（1）表面效应
当微粒的直径降低到纳米尺度时，其表面粒子数、表面积和表面能均会大幅增加。由于表面粒子的空位效应，周围缺少相邻的粒子，出现表面粒子配位不足；同时高的表面能也使得表面原子具有高的活性，极不稳定，易于通过与外界原子结合而获得稳定，如金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应，皆由表面效应所致。
（2）化学性质
关于石墨稀的化学性质，从表面化学的角度来看，石墨稀的性质类似于石墨，因此可以通过研究石墨的性质来推测石墨稀的性质。目前得到证实，石墨稀的表面与石墨表面类似，可以吸附和解吸各种原子和分子。
2、影响因素
（1）材料用量的影响
石墨烯对甲苯与乙酸乙酯的吸附效率随着石墨烯材料含量的增加而增加，当吸附剂的量大于一定值的时候时，其去除效率保持不变，因为单位质量的吸附剂的吸附量是一定的，在一定量的甲苯溶液中，吸附剂的量越多，吸附的分析量就越多，随着吸附剂量的增多，去除率增大，但当去除率达到100%时，随着吸附剂量的增多，去除率均为100%，故吸附剂的量大于一个峰值时随着吸附剂量的增多，去除率保持不变。
（2）不同浓度的影响
甲苯和乙酸乙酯溶液在浓度小于一定值时，随着溶液浓度的增大去除率几乎不变；但溶液浓度在大于一定值时，随着浓度的增大去除率降低。原因和吸附剂量的影响相似，因为吸附剂的量一定，其最大吸附量一定，在浓度小于一定值时可以将家集合乙酸乙酯几乎完全去除；当超过这个浓度值时，超过了材料吸附剂的最大吸附量，随着溶液中甲苯与乙酸乙酯成分的增多，去除效率逐渐降低。
（3）pH值的影响
溶液的pH对去除效果有很大的影响，pH在1～4时，对甲苯和乙酸乙酯的去除效率可以达到80%以上，但pH大于4则去除效率减弱。产生这样现象的原因可能是因为石墨烯自身含有不饱和键，在不同pH下会形成不同的水和氧化物，抑制了对甲苯和乙酸乙酯的吸附。
（4）吸附时间的影响
石墨烯材料对甲苯和乙酸乙酯的吸附属于分阶段式进行。第一阶段为快速吸附，即吸附速率远大于脱附速率，第二阶段为中速吸附，即吸附速率大于脱附速率，第三段为平衡吸附，即吸附速率等于脱附速率。。
（5）吸附温度的影响
温度对甲苯和乙酸乙酯的吸附效果有很大的影响，随着温度的升高，吸附效率逐渐增大，说明这是一个吸热反应。因为温度升高，甲苯和乙酸乙酯分子受热剧烈运动，能够更高的进入石墨烯材料的孔隙和表面。
四、结束语
石墨烯具有较强的吸附性能，能够有效吸附和脱附各种原子和分子污，且具有成本较低的特点，可以在实验、生产中加以推广应用。此外，石墨烯具有超大的比表面积以及较强的热导率等优异性质，使得石墨烯在很多领域有着良好的应用前景。
参考文献：
[1]杜声玖.石墨烯吸附结构和性质的第一性原理研究[D].重庆大学，2012.
[2]赵银昌，戴振宏，隋鹏飞，张小玲，张加东，王森，刘兵，徐雷.石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究[J].烟台大学学报（自然科学与工程版），2013，03：160-163.
【关键词】石墨烯；吸附性；制备；甲苯；乙酸乙酯
中图分类号：K826.13
一、石墨烯结构及性质简述
石墨烯是由sp2杂化的碳原子排列成蜂窝状晶格结构得到的单层二维材料，厚度只有0.3554nm，这种严格的二维结构使石墨烯展现出许多优异性能。石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1 TPa，是目前已知强度最高的材料。石墨烯的导电性能极佳，室温下载流子迁移率可达2×105cm2/（V·s），而且不随温度变化和化学掺杂而降低。石墨烯的室温热导率为5×103W/（m·K），是室温下铜热导率的10倍多。同时，石墨烯还具有高达2 630 m2/g的理论比表面积。
石墨烯的理想结构是一种平面六边形点阵，可看作是一层被完美剥离的石墨分子，石墨分子中的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个P轨道上的电子形成大π键，且π电子可以自由移动，体现为石墨烯具有良好的导电性。这种二维的石墨烯结构可被认为是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
二、石墨烯材料的制备步骤
为充分利用石墨烯的这些特性，科学家采用各种方法尝试石墨烯的规模化制备。石墨烯最初由机械剥离法制得，随后又发展出晶体外延生长法、化学气相沉积法、液相直接剥离法、高温脱氧还原法和化学还原法等制备方法。其中化学还原法由于原料来源丰富、价格低廉，使石墨烯的大规模、低成本生产成为可能。化学还原法一般由Hummers法制备氧化石墨，然后通过超声分散氧化石墨溶液，得到氧化石墨烯，最后使用水合肼还原得到石墨烯。由于水合肼有毒，对人危害性很大，采用性能稳定、还原性很强又安全的二氧化硫脲作为还原剂，能够在碱性条件下得到还原程度较高、分散性较好的石墨烯。
1、氧化石墨的制备
在冰水浴中装配好500 mL的三口反应瓶，加入96 mL浓硫酸，边搅拌（转速约为100 r/min）边加入2 g石墨粉和1 g硝酸钠的固体混合物，搅拌30 min。分12次加入12 g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌90 min。接着升温到35℃左右，搅拌2 h。加入80 mL水（30 min内缓慢加入，体系温度升到90℃左右），再加入200 mL温水（35℃）进行稀释，同时加入50 mL（30%）的双氧水，溶液从棕黑色变成鲜亮的黄色。继续搅拌10 min。超声30 min后真空抽滤，用500 mL5%的稀盐酸洗涤产物，用去离子水充分洗涤直至滤液中无硫酸根离子（Bac12溶液检测），pH=7，得到的黄褐色沉淀即为氧化石墨（GO）。最后在60℃的烘箱中干燥24 h，保存备用。
2、石墨烯的制备
将500 mg的氧化石墨分散于300 mL水溶液中，得到棕黄色的悬浮液，在超声条件（超声频率为40 kHz）下分散2 h，得到稳定的分散液。加入2 g二氧化硫脲、5 g氢氧化钠，95℃水浴中搅拌反应5 h，溶液由黄褐色变为黑色。将样品抽滤，产物依次用乙醇和水冲洗多次，在40℃的真空干燥箱中充分干燥，保存备用。
三、石墨烯的吸附性原理及影响因素
完整的石墨烯是完美的平面的网状晶体结构，它的吸附性能很好，其能带结构中帯隙为零，而且没有磁性。石墨烯吸附原子可能改变这些性质，而掺杂和空位都可以促进吸附的进行。石墨烯能够吸附和脱附各种原子和分子，如氨气、二氧化氮、氢离子、氢氧根离子、钾离子等，因此可用于生产及实验过程中甲苯和乙酸乙酯的去除。
1、吸附原理
（1）表面效应
当微粒的直径降低到纳米尺度时，其表面粒子数、表面积和表面能均会大幅增加。由于表面粒子的空位效应，周围缺少相邻的粒子，出现表面粒子配位不足；同时高的表面能也使得表面原子具有高的活性，极不稳定，易于通过与外界原子结合而获得稳定，如金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应，皆由表面效应所致。
（2）化学性质
关于石墨稀的化学性质，从表面化学的角度来看，石墨稀的性质类似于石墨，因此可以通过研究石墨的性质来推测石墨稀的性质。目前得到证实，石墨稀的表面与石墨表面类似，可以吸附和解吸各种原子和分子。
2、影响因素
（1）材料用量的影响
石墨烯对甲苯与乙酸乙酯的吸附效率随着石墨烯材料含量的增加而增加，当吸附剂的量大于一定值的时候时，其去除效率保持不变，因为单位质量的吸附剂的吸附量是一定的，在一定量的甲苯溶液中，吸附剂的量越多，吸附的分析量就越多，随着吸附剂量的增多，去除率增大，但当去除率达到100%时，随着吸附剂量的增多，去除率均为100%，故吸附剂的量大于一个峰值时随着吸附剂量的增多，去除率保持不变。
（2）不同浓度的影响
甲苯和乙酸乙酯溶液在浓度小于一定值时，随着溶液浓度的增大去除率几乎不变；但溶液浓度在大于一定值时，随着浓度的增大去除率降低。原因和吸附剂量的影响相似，因为吸附剂的量一定，其最大吸附量一定，在浓度小于一定值时可以将家集合乙酸乙酯几乎完全去除；当超过这个浓度值时，超过了材料吸附剂的最大吸附量，随着溶液中甲苯与乙酸乙酯成分的增多，去除效率逐渐降低。
（3）pH值的影响
溶液的pH对去除效果有很大的影响，pH在1～4时，对甲苯和乙酸乙酯的去除效率可以达到80%以上，但pH大于4则去除效率减弱。产生这样现象的原因可能是因为石墨烯自身含有不饱和键，在不同pH下会形成不同的水和氧化物，抑制了对甲苯和乙酸乙酯的吸附。
（4）吸附时间的影响
石墨烯材料对甲苯和乙酸乙酯的吸附属于分阶段式进行。第一阶段为快速吸附，即吸附速率远大于脱附速率，第二阶段为中速吸附，即吸附速率大于脱附速率，第三段为平衡吸附，即吸附速率等于脱附速率。。
（5）吸附温度的影响
温度对甲苯和乙酸乙酯的吸附效果有很大的影响，随着温度的升高，吸附效率逐渐增大，说明这是一个吸热反应。因为温度升高，甲苯和乙酸乙酯分子受热剧烈运动，能够更高的进入石墨烯材料的孔隙和表面。
四、结束语
石墨烯具有较强的吸附性能，能够有效吸附和脱附各种原子和分子污，且具有成本较低的特点，可以在实验、生产中加以推广应用。此外，石墨烯具有超大的比表面积以及较强的热导率等优异性质，使得石墨烯在很多领域有着良好的应用前景。
参考文献：
[1]杜声玖.石墨烯吸附结构和性质的第一性原理研究[D].重庆大学，2012.
[2]赵银昌，戴振宏，隋鹏飞，张小玲，张加东，王森，刘兵，徐雷.石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究[J].烟台大学学报（自然科学与工程版），2013，03：160-163.