以硫代氨基脲(CH5N3S)為還原劑，通過還原氧化石墨(GO)制備了石墨烯納米片(GNS)。利用XRD，F(xiàn)E-SEM，AFM和UV-Vis光譜對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行分析，并使用循環(huán)伏安和恒流充放電等測試手段來表征其超級電容性能。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的GNS具有良好的結(jié)晶狀態(tài)，并且在水溶液中具有良好的分散性。以GNS納米片為電極材料，在3mol/LKOH電解質(zhì)溶液中，以500mA/g電流密度測試條件下所得比電容量為75F/g。而且GNS納米片顯示出了良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。

　　sp2雜化的碳原子可看作是構(gòu)建碳素材料的基本單元，如石墨(2D)、納米碳管(1D)、石墨烯(0D)等。自從2004年首次報(bào)道以來，石墨烯所呈現(xiàn)出的獨(dú)特性質(zhì)，如高的比表面積(2630m2/g)、無可比擬的機(jī)械性能(楊氏模量：~1100GPa；斷裂強(qiáng)度：125GPa)，超乎尋常的熱導(dǎo)率(~5000W/(m·K))，以及出色的電學(xué)性能，有望應(yīng)用于納米電子器件、復(fù)合材料、氣敏傳感器、太陽能電池以及藥物輸運(yùn)等領(lǐng)域。近年來，石墨烯作為電化學(xué)電極材料應(yīng)用于超級電容器的研究受到關(guān)注，石墨烯有望取代傳統(tǒng)的活性碳材料在電化學(xué)領(lǐng)域的獲得廣泛應(yīng)用。

　　石墨烯的制備工藝是實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。目前石墨烯主要采用四種不同的方法制備：微加工剝離的方法、化學(xué)氣相沉積(CVD)、外延生長和化學(xué)還原的方法。其中，化學(xué)還原方法以其工藝過程簡單、制備成本低、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，而備受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。采用化學(xué)還原方制備石墨烯是先將氧化石墨烯在合適的溶劑(通常是水，或者一些極性有機(jī)溶劑)中剝離，隨后用水合肼作為還原劑將剝離后的單層氧化石墨烯還原。但是水合肼毒性高、易爆炸，限制了其在石墨烯大規(guī)模工業(yè)化中的應(yīng)用。因此，尋找新的還原劑來替代水合肼成為化學(xué)還原方法制備石墨烯的關(guān)鍵。

　　近年來，人們已嘗試多種還原劑來制備石墨烯，如還原性糖類(葡萄糖)、維生素C、還原性單質(zhì)(鐵粉)以及硼氫化鈉等。這些還原劑為石墨烯的環(huán)境友好合成提供了可能。然而，上述方法存在還原反應(yīng)時(shí)間長，操作過程繁瑣等難題，仍難以滿足人們對石墨烯的現(xiàn)實(shí)需要，因此很有必要嘗試新的還原劑來制備石墨烯。

　　本工作嘗試以硫代氨基脲(CH5N3S)為還原劑，還原氧化石墨制備石墨烯納米片。通過X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)、紫外-可見光光譜(UV-VisSpectra)對樣品的組成、結(jié)構(gòu)和顯微形貌進(jìn)行分析。采用三電極體系超級電容性能，以KOH為電解液，利用電化學(xué)工作站(CHI660D)測試樣品的循環(huán)伏安以及恒流充放電曲線。

1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1、儀器與試劑

　　實(shí)驗(yàn)所用儀器：250mL三頸燒瓶；球型冷凝管回流裝置；水浴鍋；DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器(金壇市醫(yī)療儀器廠)；Sigma3k15臺式高速冷凍離心機(jī)(德國SIGMA公司)；離心管；DZF-6050真空干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

　　實(shí)驗(yàn)所用的試劑除石墨粉購于青島星遠(yuǎn)石墨乳有限公司外，均購于上海化學(xué)試劑公司和天津化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的分析純，使用前沒有采取進(jìn)一步處理。主要試劑有：石墨粉(含量大于99%的鱗片狀石墨粉和普通石墨粉)、KMnO4、98%濃硫酸、85%濃磷酸、36%~38%鹽酸、無水乙醇、30%H2O2溶液、硫代氨基脲(CH5N3S)、氫氧化鉀、聚偏氟乙烯(PVDF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、泡沫鎳。

　　1.2、GO和GNS樣品的制備

　　GO的制備：0.5g鱗片狀石墨加入70mL硫酸/磷酸(v：v=9：1)混合濃酸中(混和酸需要提前在冰水浴中冷卻到0℃)。劇烈攪拌，向混合物中加入3gKMnO4，繼續(xù)攪拌2h。攪拌結(jié)束后將反應(yīng)器轉(zhuǎn)移到50℃水浴中攪拌反應(yīng)12h。待反應(yīng)液冷卻到室溫，將反應(yīng)器放置在冰塊中，向反應(yīng)體系中加入1mL雙氧水。靜止2~3h，然后將混合物過濾，濾液離心(9500r/min約4h)分離，撇去上清液，用5%的鹽酸、去離子水和乙醇洗滌數(shù)次后，在真空中烘干得到氧化石墨。GNS的制備：取上述制備的氧化石墨0.1g分散在100mL去離子水中，超聲剝離3h，得棕黃色均一透明氧化石墨烯膠體。將獲得的溶液放入250mL三頸瓶中，加入0.36g硫代氨基脲(CH5N3S)，95℃水浴加熱，反應(yīng)在弱酸性環(huán)境下進(jìn)行，攪拌24h，反應(yīng)結(jié)束后，滴加少量稀鹽酸抽濾、洗滌、烘干得石墨烯粉末。

　　1.3、樣品表征

　　采用日本RigakuMiniFlex型X射線粉末衍射儀(XRD，Cu-Ka，λ=0.15418nm)對樣品進(jìn)行物相分析；JEOL公司的JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)和VeecoInstruments公司的NanoscopeIIIa表征樣品的形貌和微觀結(jié)構(gòu)；采用PerkinElmer公司的Lambda35對樣品的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試(范圍：200~800nm)。

　　1.4、電化學(xué)性能測試

　　石墨烯電極的制備：將制得的GNS樣品和粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)按質(zhì)量比9：1混合研磨均勻后，加入適量溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，調(diào)勻成漿后均勻涂覆于1cm×1cm的泡沫鎳上，將電極在60℃真空烘箱中處理8h。

　　采用三電極體系測試所得樣品的電化學(xué)性能，鉑片電極(1cm×1cm)，飽和甘汞電極(SCE)分別為對電極和參比電極，以3mol/L的KOH溶液為電解液。采用CHI660D電化學(xué)工作站測試樣品的循環(huán)伏安，恒流充放電曲線，和電化學(xué)阻抗譜(EIS)。循環(huán)伏安測試的電壓范圍為0~0.5V(vsSCE)，電化學(xué)阻抗譜測試是在開路電壓下，頻率范圍為：100kHz~0.01Hz，恒流充放電是在不同電流密度下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電壓范圍為0~0.46V(vsSCE)。

結(jié)論

　　以硫代氨基脲(CH5N3S)為還原劑，通過還原氧化石墨(GO)制備出了石墨烯納米片(GNS)。所制備的GNS具有良好的結(jié)晶狀態(tài)，厚度約為0.64nm，并且在水溶液中具有較好的分散性。制備GNS納米片在3mol/LKOH電解質(zhì)溶液中的比電容量為75F/g。而且以硫代氨基脲(CH5N3S)為還原劑所制備的GNS納米片顯示出了良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。該制備方法簡單易行，所制備的石墨烯納米片有望應(yīng)用于超級電容器電極材料。