氧等离子体处理改性石墨烯粉体对其亲水润湿性能的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-01-04

对于石墨烯粉体来说，通过调控等离子体的条件参数，可实现对石墨烯表面接枝或刻蚀等表面改性。等离子体氧化处理后的石墨烯表面，或者接枝上极性含氧基团，如羧基，羟基等，或者形成大量表面缺陷、孔洞等微结构，这些表面微形貌的改变，赋予了石墨烯材料许多新的宏观性能，实现了不同的石墨烯功能化修饰。等离子体处理石墨烯能很好的改善石墨烯性能，使石墨烯及其衍生物在应用上创造更大的价值。

石墨烯氧等离子处理

等离子体处理设备用于表面改性石墨烯，实验中我们使用的射频电源的工作频率为40KHz，功率为300W，这款等离子设备采用转筒结构，可以使粉体处理更加均匀。

石墨烯氧等离子处理示意图

氧等离子处理石墨烯粉体表面含氧官能团分析

为了进一步确认石墨烯的晶格结构完整性以及氧等离子处理对石墨烯粉体的作用，对氧等离子处理前后的石墨烯进行深入的表征及分析。

拉曼光谱是一种标准的非破坏性工具，当用于表征石墨烯时会出现三个较为明显的波峰，分别为D峰、G峰和G′峰（又称2D峰），其中D峰与G峰峰高的比值即I_D/I_G值常用于表示石墨烯晶格的完整度，I_D/I_G值越大，说明石墨烯晶格完整度低缺陷高，反之拉曼光谱I_D/I_G值越小，说明石墨烯晶格完整度高缺陷低。如图1-1为各种石墨烯的拉满光谱测试数据，为做对比，加入了氧化石墨烯(GO)作为对照组，以突出缺陷较大的石墨烯I_D/I_G值的大小，另外两组则是原始未经氧等离子处理的原始石墨烯(UTG)以及氧等离子处理石墨烯。从图中不难看出，UTG的I_D/I_G值为0.21，处于一个较低的水平，说明其晶格未被破坏，晶格完整度较高，石墨烯粉体的I_D/I_G值为0.37，相比UTG的值略有升高，证明了氧等离子处理导致原始石墨烯上产生了一定的缺陷，但即使氧等离子处理降低了石墨烯的晶格完整度，一定程度上降低了石墨烯的一系列热机电性能，与GO相比，GO的I_D/I_G值高达0.92，是石墨烯粉体的2.5倍，缺陷程度远高于氧等离子处理对石墨烯的影响。

图1-1 各石墨烯的拉曼光谱

氧等离子处理对石墨烯产生的影响一方面是提高了是石墨烯的缺陷程度，另一方面则是在石墨烯表面接种了含氧官能团，提高了其亲水性。而为了进一步分析氧等离子处理在石墨烯表面接种了哪些官能团，则可以通过红外光谱表征的方式进行研究。

使用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征的技术来测定氧等离子处理前后石墨烯峰形变化，可以判断石墨烯表面接种了何种官能团，如图1-2所示，石墨烯粉体和UTG样品均在3455cm^-1处有明显的特征峰，这归因于O-H基团的伸缩振动，说明无论石墨烯是否经氧等离子处理，石墨烯表面都有一定量的-OH游离基团，也许是来自附着于石墨烯表面的水分；1091cm^-1处的峰值归因于C-OH的伸缩振动，石墨烯粉体在此处的吸收峰明显高于UTG，这说明氧等离子处理后石墨烯上生长了更多的C-OH官能团，即成功在石墨烯表面接种了更多的羟基(-OH)，而羟基是一种常见的极性基团，与水有某些相似的性质，能与水形成氢键，是一种常见的亲水性含氧官能团。石墨烯粉体中与C原子相连的羟基的量较UTG有较明显的增加，可显著提高石墨烯的亲水性和润湿性，这两种特性会在后续的测试中得以表征和证明。

图1-2 石墨烯氧等离子处理前后红外光谱

氧等离子处理石墨烯亲水性分析

为更加宏观的体现石墨烯在氧等离子处理后亲水性的变化，将5mgUTG与石墨烯粉体分别加入到盛有一定量超纯水的烧杯中，且不施加其他操作，观察石墨烯与水接触面的具体情况，如图1-3所示，(A1)与(A2)分别是UTG放入超纯水中的俯视图与侧视图，(B1)与(B2)分别是石墨烯粉体放入超纯水中的俯视图与侧视图。从图中可以很清晰的看出，UTG在放入超纯水中后表现了超强的疏水性，在水面形成粉末团堆，无一点粉末能浸入水面下方；反观石墨烯粉体在放入超纯水后，一部分石墨烯粉体已直接沉入水底，并从侧视图观察发现一条石墨烯浸入水底的路径，石墨烯粉体随不能立即溶于水中，但相较UTG已经有了明显的提升。

图 1-3 (A1-2) 原始石墨烯放入水中的照片； (B1-2) 氧等离子处理石墨烯放入水中的照片

除此之外，石墨烯的亲水性还体现在充分与水混合后胶体分散系的稳定性上，亲水性越好的分散质稳定性越好，越不容易在短时间内出现分散质沉淀的现象。将5mgUTG与石墨烯粉体分别放入装有超纯水的样品瓶中，充分搅拌后放入超声清洗仪中超声震荡10min，使石墨烯充分分散与超纯水中。然后记录了石墨烯在超声后0min、10min和30min的图像作对比，如图1-4所示，在超声处理完成后，UTG在超纯水中呈絮状，部分UTG漂浮于水面上，而石墨烯粉体则在水中形成了深浅均一，分散质稳定性良好的胶体；10min后UTG已在水中出现明显沉降，仍有部分UTG漂浮于水面，呈现出深浅极不均一的现象，石墨烯粉体则并无明显变化；30min后UTG较10min时无明显变化，说明UTG在10min前已经基本沉降完全，而石墨烯粉体胶体颜色变浅，水中较深的位置出现少量石墨烯粉体沉降。

图1-4 不同静置时间下石墨烯 / 水分散系照片

实验结果表明UTG亲水性较差，不经外力驱动时几乎不溶于水，而经超声震荡与超纯水中强制混合后10min内基本沉降完全，而石墨烯粉体亲水性提升明显，在30min后才开始出现沉降，体现了氧等离子处理对石墨烯粉体亲水性的改善作用。

等离子体改性石墨烯的绿色工艺，能制备出具有更优异的电化学、电催化性能的功能化石墨烯粉体，从而拓展石墨烯应用领域，缩小纯石墨烯粉体应用限制，促进石墨烯基器件的发展。

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