引言：

石墨烯这种神奇的材料，因其优异的物理和化学性质，所以它在众多领域中，例如像能源与电子领域中都具有很广的应用，其前景也是十分可观。

微观视角下的石墨烯

石墨烯的制备过程经历了多次技术革新，最开始时是机械剥离的方法，随着演变之后慢慢转变为了现在的化学气相沉积方法，此外还有像机械剪法等。

不管是哪一种方法，都体现了石墨烯制备之路上的不断创新与改进，这种改进对以后的制备不仅提高了需求，还起了重大作用。

石墨烯的制备方法主要有以下几种。

石墨烯制备方法对比

一、氧化石墨烯的制备方法

制备石墨烯所用到的氧化还原法一般需要通过氧化石墨从而来达到氧化石墨烯的效果。然后通过还原氧化石墨烯的方法得到石墨烯。下面将分别介绍这两个步骤的具体方法和实验步骤。

首先，在氧化石墨烯制备时，大多都是以氧化剂来对石墨烯的材料先进行氧化，从而形成石墨烯氧化物的合成。

例如像高锰酸钾与硝酸等都是石墨烯制备时经常要用的一些氧化剂。不过，硝酸是应用最多的一种。

下面是硝酸氧化法的具体步骤：

实验步骤：

1.将石墨粉末加入浓硝酸中，用超声波打散，形成均匀悬浮液。石墨粉末的质量应该与浓硝酸的体积成比例，一般是1g石墨粉末加入10mL浓硝酸。

2.将悬浮液放置在搅拌器上搅拌，使其均匀氧化。氧化反应时间一般为12-24小时，可以根据需要进行调整。

石墨粉

3.将氧化后的石墨烯氧化物用水反复洗涤，使其除去掉浓硝酸、硝酸根等残留物。反复洗涤的次数视具体需要而定。

在氧化石墨烯的制备过程中，涉及到一些关键的公式，下面分别进行介绍。

氧化反应公式

氧化石墨烯的制备方法通常是通过氧化石墨前体的化学反应得到的。

以下为氧化反应会出现的方程式：

在这种反应之中，葡萄糖（C6H12O6）和硝酸（HNO3）产生反应之后会产生石墨烯的一种前体氧化，这种氧化前体被称为“石墨烯醇酸”

氧化还原反应

氧化度计算公式

石墨烯烯醇酸（GO）的氧化度可以用如下公式计算：

氧化度公式

其中，$(rm C/O){rm GO}$表示石墨烯烯醇酸（GO）中碳与氧的原子比，$(rm C/O){rm graphite}$代表着里面的原子比。

还原反应公式

氧化石墨烯可以通过还原反应得到还原石墨烯。还原反应的化学方程式如下：

还原反应公式

在这个反应中，氢化肼（hydrazine hydrate）在这种领域是一种应用较广的还原剂。

还原示意图

二、还原氧化石墨烯的制备方法

想要通过此方法来制备石墨烯，就必须要依靠还原剂将其给氧化，使其形成石墨烯。

下面是水合肼还原法的具体步骤：

实验步骤：

1.将氧化石墨烯粉末加入去离子水中，形成均匀悬浮液。氧化石墨烯的质量应该与去离子水的体积成比例，一般是1g氧化石墨烯加入10mL去离子水。

2.将水合肼加入悬浮液中，用超声波打散，形成均匀混合物。水合肼的加入量一般为氧化石墨烯的1-2倍。

水合肼还原法化学公式

3.将混合物加热到80 左右，反应2-3小时。反应过程中，混合物会逐渐变为黑色。

4.将还原后的石墨烯沉淀，用去离子水反复洗涤，除去掉残留的水合肼、还原产物等物质。反复洗涤的次数视具体需要而定。

5.将洗涤后的石墨烯用真空干燥器或烘箱将其干燥。干燥温度一般不要超过60 。

石墨烯干燥过程

需要注意的是，在氧化石墨烯与还原的过程当中，一般需要将容器与操作界面先进行一定的清理与清洁，这样才能避免一些杂质与污染源对石墨烯造成影响。

此外，在还原反应的过程中，控制反应的时间与温度也尤为重要。

因此，为了避免在此过程中出现不良的反应导致石墨烯失去结构特性，反应中的温度与时间应当要把控好。

由此可见，化学氧化还原方法是石墨烯制备方法中比较常见的一种方法，这种方法的步骤不仅比其他方法要少，同时成本与产率都要更优于其他方法，能够满足不同领域对石墨烯的需求。

氧化还原反应

在此实验的过程中，一定要注意安全，此外，为了避免制备过程中出现差异，导致石墨烯的质量下降，大家都需要按照操作步骤来进行实验。

还原氧化石墨烯的制备方法中，涉及到还原反应和石墨烯的结构表征等方面的公式，下面分别进行介绍。

还原反应公式：

还原反应公式

其中，$x$和$y$分别表示石墨烯中的碳和氧的原子数。反应过程中，氢气将氧原子从氧化石墨烯上还原成水，并且还会生成为石墨烯材质。

示意图

三、化学气相沉积法

此外，除了以上制备方法还有其他的制备法，比如像化学气相沉积法就是其中之一。CVD法制备石墨烯的原理是，在高温和高压下，通过气相反应将石墨烯生长在金属基底上。其主要步骤包括：

实验步骤：

1. 将金属基底（一般为铜、镍等）放入四氢呋喃（THF）中，去除表面氧化物等杂质。

化学气相沉积

2.将已经清洗好的基底放入一个容易当中，然后加上适量的碳源气体。（一般为甲烷、乙烯等），并通过加热使金属基底表面温度达到石墨烯生长的最佳温度（一般为1000-1100 ）。

3.在金属基底表面形成石墨烯薄膜，薄膜厚度可通过反应时间和气体流量来控制。一般反应时间为30分钟到数小时不等。

4.将金属基底取出，用化学溶液将金属基底腐蚀，将石墨烯薄膜转移到其他基底上。转移方法一般有机械剥离法、化学剥离法等，转移后可用SEM、TEM等仪器进行表征和分析。

反应过程示意图

需要注意的是，CVD法制备石墨烯需要控制反应参数，如温度、气体流量、反应时间等，同时对基底的选择和前处理也有一定要求。在实验过程中需要遵循实验室安全规范，严格操作，以确保制备出高质量的石墨烯。

在这个过程中，涉及到一些关键的公式，下面分别进行介绍。

沉积反应公式

CVD法中沉积反应的化学方程式如下：

在这个反应中，甲烷（CH4）作为碳源分子，通过热解产生碳原子和氢气。碳原子在金属衬底表面上形成单层石墨烯。

热力学平衡公式

CVD法中沉积反应的过程是受热力学平衡控制的。反应过程中的化学势变化可以用如下公式计算：

原子层沉积速率公式

在CVD法中，金属衬底表面上的石墨烯层是由碳原子逐层沉积而成的。原子层沉积速率可用如下公式计算：

其中，$R_{rm ALD}$表示原子层沉积速率，$V_{rm eff}$表示反应物分子的有效体积，$ heta_{rm surf}$表示表面覆盖率。该公式表明，原子层沉积速率与表面覆盖率呈非线性关系，随着表面覆盖率的增加，沉积速率逐渐减缓。

四、机械剥离法

机械剥离法是利用机械力将石墨片剥离成单层石墨烯。、这种剥离法在制备过程中，通常需要几个步骤才能试下，具体步骤如下：

1、制备石墨晶体

首先，机械剥离法在制备石墨烯时会先制备一些质量较高的石墨晶体。石墨晶体通常是通过高温石墨化反应合成得到的，其中涉及到的公式为：

2、机械剥离

将制备好的石墨晶体放置在适当的基底上，使用机械剥离装置施加垂直于基底平面的力，使得石墨层逐渐剥离成单层石墨烯。机械剥离过程涉及到的公式相对较少，主要涉及到牛顿力学中的力学公式。

3、表征

对得到的石墨烯进行表征，包括结构表征和性质表征。结构表征可以使用扫描电镜、透射电镜等技术观察石墨烯的形态和结构。

机械剥离示意图

性质表征可以使用光电子能谱、拉曼光谱等技术分析石墨烯的物理和化学性质。

机械剥离法是一种简单有效的制备石墨烯的方法，不需要复杂的实验装置和昂贵的化学试剂，因此具有较高的实用性。

机械剥离过程中主要涉及到牛顿力学的力学公式，但是在实验中需要精细控制力度和速度等参数，以保证得到高质量的单层石墨烯。

机械剥离示意图

总结：

在探索石墨烯制备之路上，人类历经了漫长而曲折的道路。从最初的机械剥离法，到后来的氧化石墨烯还原法、化学气相沉积法等，每一种制备方法都凝聚了科学家们的不懈努力和不断创新的成果。

石墨烯因其独特的结构和性质而备受瞩目，被认为是“碳原子的奇迹”。

它不仅拥有出色的电学、光学、热学等性能，而且具有极高的机械强度和柔韧性，具有广泛的应用前景。从电子学、能源领域到生物医学，石墨烯都有着巨大的潜力。

石墨烯剥离方法示意图

然而，石墨烯的制备和应用仍面临着许多挑战。其中最大的挑战之一是如何大规模、低成本地制备高质量的石墨烯。

在未来的研究中，科学家们需要继续探索新的制备方法和应用领域，以推动石墨烯技术的发展和应用。

参考资料：

《浅谈石墨烯的制备》

《石墨烯制备方法与概述》

《石墨烯—新型材料的新宠》

《石墨烯的制成与发现》