如何獲得更好的氧化石墨烯紅外光譜圖？

為了更好的得到氧化石墨烯的圖譜，在紅外定性分析通則的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，在確保測(cè)試結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，將待測(cè)樣品研磨時(shí)間，和溴化鉀混合量，壓片厚度等參數(shù)做了適合氧化石墨烯材料的優(yōu)化，并找到一組比較適合的參數(shù)，重復(fù)多次都可以得到理想結(jié)果。

2022-11-16 15:37:56王丹

什么是石墨烯？

石墨烯(Graphene)是一種可以獨(dú)立存在的單碳原子層厚度的二維(2D)原子晶體，它是當(dāng)前最薄的材料，并且具有堅(jiān)韌致密的獨(dú)特性質(zhì)，2004年，首次通過(guò)膠帶剝離石墨的方法得到。石墨烯的制備中化學(xué)氧化–還原法最為有效，滿(mǎn)足低成本、大批量實(shí)際生產(chǎn)的要求，其中以改進(jìn)Hummers法最為普遍。除此之外，含有多種含氧基團(tuán)的氧化石墨烯(簡(jiǎn)稱(chēng)GO)是一種非常好的功能化石墨烯的前驅(qū)體材料，可以通過(guò)接枝或化學(xué)改性得到。但是，不同氧化方法得到的石墨烯氧化度不同，進(jìn)而導(dǎo)致材料性能有很大差異。

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特定頻率的紅外光照射被分析試樣，如果分子中有某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率與照射的紅外線(xiàn)頻率一致，便會(huì)產(chǎn)生共振并吸收一定量的紅外光，儀器記錄儀便會(huì)記錄這個(gè)分子的吸收情況，這樣便能夠得到試樣成分的特征光譜，傅里葉紅外光譜儀便是利用這一原理來(lái)推斷化合物的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)，因而根據(jù)此光譜確定該化合物或官能團(tuán)是否存在。

石墨烯的測(cè)量

純石墨或者石墨烯沒(méi)有紅外吸收峰，然而在利用氧化還原法制備石墨烯時(shí)，石墨經(jīng)氧化插層會(huì)額外引入一些含氧官能團(tuán)，主要有-COOH，-OH和-C-O-C等，其氧化產(chǎn)物氧化石墨及其剝離產(chǎn)物氧化石墨烯(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GO)的紅外光譜圖主要包含以下特征吸收峰，約3400和1400cm^?¹，屬于羥基O-H的峰，在1726cm^?¹處為環(huán)氧基C-O的吸收峰，在用化學(xué)法制備石墨烯的過(guò)程中，石墨被氧化或者氧化石墨烯被還原，都會(huì)伴隨有紅外光譜圖上特征吸收峰的變化，還可能引入新的特征吸收峰，因此可以用紅外光譜儀觀察其官能團(tuán)的變化來(lái)判定氧化還原過(guò)程。

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KBr壓片法廣泛用于紅外定性分析和結(jié)構(gòu)分析，凡易于粉碎的固體試樣都可以采用此法。在測(cè)量時(shí)應(yīng)裝入壓片夾以KBr空白壓片作參比掃描紅外光譜。查譜線(xiàn)索引找出標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照譜峰位置、形狀和相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行鑒定。

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采用壓片法獲得圖譜時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，樣品的制備方法和制備技術(shù)對(duì)譜圖的影響很大，為了更好的得到氧化石墨烯的圖譜，在紅外定性分析通則的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，在確保測(cè)試結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，將待測(cè)樣品研磨時(shí)間，和溴化鉀混合量，壓片厚度等參數(shù)做了適合氧化石墨烯材料的優(yōu)化，并找到一組比較適合的參數(shù)，重復(fù)多次都可以得到理想結(jié)果。

樣品壓片參數(shù)

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取1mg氧化石墨烯樣品、250mg溴化鉀，裝入瑪瑙研缽，打開(kāi)紅外燈，調(diào)到60W，按順時(shí)針均勻用力，使用50N的力研磨30秒，研磨完成之后，在60W 的紅外燈下烘5分鐘，對(duì)于樣品顆粒的粒徑是有要求的，粉末粒徑小于2.5μm，可以減少顆粒散射對(duì)基線(xiàn)漂移的影響，但也不能過(guò)度研磨，研磨過(guò)度易吸水汽，因此不管是背景純溴化鉀或者是樣品與它的混合物，最好做到研磨力度一致。

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稱(chēng)取研磨后的混合物重量為130~150mg，均勻放入固體壓片機(jī)磨具的頂模和底模之間，然后將磨具放入壓力機(jī)中，裝入壓片裝置，壓力為20MPa，壓片持續(xù)時(shí)間為2分鐘，壓片厚度約為0.45~0.5mm，取出壓片，裝入固體樣品測(cè)試架中。

測(cè)試結(jié)果

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上圖為氧化石墨烯GO的紅外光譜圖，在3420cm^?¹和1392cm^?¹處分別為-OH振動(dòng)峰和變形峰，1627、1725cm^?¹處分別對(duì)應(yīng)氧化石墨烯中類(lèi)苯環(huán)結(jié)構(gòu)上的C=C的伸縮振動(dòng)峰和C=O伸縮振動(dòng)特征峰，1224和1050cm^?¹處為C-O-C的震動(dòng)吸收峰。

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通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)能夠通過(guò)傅里葉紅外光譜儀準(zhǔn)確表征出氧化石墨烯的官能團(tuán)，由上圖看出重復(fù)性較好，且重復(fù)多次，未見(jiàn)有干涉圖形出現(xiàn)，證明該組參數(shù)可靠性和適用性很好。

總結(jié)

在傳統(tǒng)的傅里葉紅外光譜壓片法中，壓片的相關(guān)參數(shù)并沒(méi)有得到重視，大部分實(shí)驗(yàn)人員是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行壓片。對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單樣品來(lái)說(shuō)，壓片參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大，但是在一些尖端領(lǐng)域，人們會(huì)希望得到一張穩(wěn)定準(zhǔn)確的紅外譜圖。改變壓片法的相關(guān)參數(shù)，能快速表征氧化石墨烯官能團(tuán)的類(lèi)型，且重復(fù)性很好。

當(dāng)然，要想得到一張高質(zhì)量的紅外光譜圖，儀器的性能也十分重要。INVENIO 是布魯克推出的研究級(jí)傅立葉變換紅外（FTIR）光譜儀產(chǎn)品。INVENIO 的創(chuàng)新技術(shù)及其智能精巧的設(shè)計(jì)為新一代傅立葉變換紅外光譜儀樹(shù)立了標(biāo)準(zhǔn)。

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