IVF

Chasing Dreams

studium redukované přípravy oxidu grafenu Hummersovou metodou a související charakterizace

Abstrakt

jako nový dvourozměrný uhlíkový materiál má Grafen jemné potenciální aplikace v oblasti činidla pro přenos elektronů a superkondenzátoru pro svou vynikající elektronickou a optickou vlastnost. Úkolem je však syntetizovat Grafen ve velkém množství. V tomto článku byl oxid grafitu připraven z přírodního vločkového grafitu Hummerovou metodou kapalnou oxidací a redukovaný oxid grafenu byl získán chemickou redukcí oxidu grafenu za použití vodného roztoku NH3H2O a hydrazinového hydrátu. Surový grafit, oxid grafitu a redukovaný oxid grafenu byly charakterizovány rentgenovou difrakcí (XRD), atenuovanou celkovou odrazivostí-infračervenou spektroskopií (ATR-IR) a elektronovým mikroskopem s emisemi pole (SEM). Výsledky ukázaly, že vzdálenost mezi oxidem grafitu byla delší než u grafitu a krystalová struktura grafitu byla změněna. Vločkový grafit byl oxidován na oxid grafitu a v oxidu grafitu bylo nalezeno mnoho skupin obsahujících kyslík. V morfologiích vzorků byla nalezena struktura ohybu jak na povrchu, tak na okraji redukovaného oxidu grafenu.

1. Úvod

Grafen je nový 2-dimenzionální materiál, který byl poprvé oddělen od grafitu mechanickou stripovací metodou v roce 2004 . Jako allotrope prvku uhlíku, jedná se o rovinný list atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníku . „Nejtenčí“ známý materiálový Grafen lze použít pro biosenzory , průhledné elektrody, skladování vodíku , kompozity a vysokoenergetické superkondenzátory pro vysokou optickou a elektronovou průhlednost a vynikající mechanické vlastnosti .

existuje mnoho způsobů , jak syntetizovat Grafen, jako je exfoliace a štěpení, chemická depozice par (CVD), tepelný rozklad a elektrochemická redukce. Mezi těmito metodami přípravy je redukce oxidu grafitu na bázi roztoku (GO) atraktivní pro jeho snadné ovládání v posledních letech. Zahrnuje tři typické kroky v této metodě. Jedná se o oxidaci grafitu, vodnou disperzi GO a redukci GO. Metody vynalezené Brodie, Staudenmaierem a Hummery jsou široce používány pro oxidaci grafitu . A Hummersova metoda je populární z následujících důvodů. Nejprve byl KClO3 nahrazen KMnO4 jako oxidačním činidlem. V tomto stavu byly odstraněny vedlejší produkty toxického plynu a zlepšeny cenné papíry experimentů. Navíc byla zkrácena doba oxidace a nakonec bylo snadné odlupovat výsledný produkt ve vodě. V tomto článku byla použita Hummerova metoda pro přípravu GO a redukovaná GO (rGO)byla získána pomocí NH3H2O vodného a hydrazinového hydrátu.

2. Experimentální

2.1. Suroviny

vločkový grafitový prášek, 98 hmotn.% H2SO4, KMnO4, NaNO3, deionizovaná voda, nh3h2o vodný, zředěný HCl vodný, 30% H2O2 vodný a 80% hydrazin hydrát vodný.

2.2. Příprava Grafenu
2.2.1. GO Příprava

směs vločkového grafitu / NaNO3 byla připravena v hmotnostním poměru 2: 1. Směs se přidá do kádinky s určitým množstvím 98 hmot.% H2SO4 při 15°C a byla získána suspenze. Potom se do suspenze za stálého míchání postupně přidával prášek KMnO4, který působil jako oxidační činidlo. Hmotnost prášku KMnO4 je 3krát vyšší než hmotnost směsi. Pro následující proces byly provedeny 3 kroky. Především je to nízkoteplotní reakce. Teplota směsi byla kontrolována pod 20°C po dobu 2 hodin; současně by měla být suspenze míchána nepřetržitě. Druhým krokem je reakce střední teploty. Teplota směsi byla udržována na 35°C po dobu 30 minut po úplném rozpuštění KMnO4. Konečně je to vysokoteplotní reakce. Do směsi se pomalu přidalo určité množství deionizované vody; proto se při zředění koncentrovaného H2SO4 uvolnilo velké množství tepla. O 15 minut později se do směsi za stálého míchání přidalo určité množství horké vody a 30% vodného H2O2. Jak ukazuje obrázek 1, jasně žlutá výsledná suspenze byla filtrována kvalitativním filtračním papírem, když byla ještě horká, a pevná směs byla promyta zředěnou HCl vodnou a destilovanou vodou a sušena ve vakuové peci při 70°C po dobu 24 h.

Obrázek 1
vzor výsledné suspenze.

2.2.2. přípravek RGO

400 mg GO byl dispergován ve 400 mL vody pomocí 30 minut ultrazvukového ošetření. V důsledku toho byla získána homogenní hnědá vodná suspenze. PH suspenze bylo upraveno na 10 upuštěním NH3H2O. do suspenze byl přidán držák hydrazin hydrátu a zahříván na 80°C po dobu 24 hodin a hmotnostní poměr hydrazin hydrátu a GO byl řízen při 10: 7 . Z roztoku se postupně vysrážela jakási Černá vločkovitá látka. Produkt byl získán filtrováním kvalitativním filtračním papírem. Nakonec se výsledný černý produkt promyje methanolem a vodou a suší se při 80°C po dobu 24 h.

2.3. Charakterizace materiálů

krystalové vlastnosti vločkového grafitu, GO a rGO byly získány společností XRD (AXS cooperation, Německo) s rychlostí skenování 4° / min od 5 do 60° úhlů. Rozteč vrstev ( rozteč) lze vypočítat pomocí braggovy rovnice a lze také pozorovat změnu difrakčního píku. Mikromorfologie rGO byla pozorována SEM (JSM-6700F, Japonsko) s akceleračním napětím od 0,5 do 30 KV. Spektra sušených GO a rGO byla získána Tenzorem 27 FTIR-ATR (Bruker, Německo) s rozlišením 4 cm−1 od 3700 do 500 cm−1 spektrální oblasti a lze pozorovat funkční skupiny GO a rGO.

3. Výsledek a diskuse

3.1. Rentgenová difrakce

, jak je znázorněno na obrázku 2(a). Vločkový grafit vykazuje bazální difrakční vrchol (002) při = 26,5° (rozteč = 0,33630 nm), což je velmi ostré. Existuje také velmi slabý difrakční vrchol (004) při = 54,8° (rozteč = 0,16738 nm). Difrakční vrchol (004) je druhou difrakcí difrakčního vrcholu (002) podle pravidel prostorového uspořádání vrstev mikrokrystalů; intenzita difrakčního vrcholu (004) je tedy mnohem slabší než intenzita difrakčního vrcholu (002). Difrakční vrchol při přibližně = 9,8° je velmi typický pro GO; Žádný zdánlivý difrakční vrchol nebyl nalezen pro rGO v jeho XRD vzoru. Tento výsledek je podobný výsledku Tapas Kuila, který již popsal strukturu GO a rGO XRD. Obrázky 2(b) a 2 (c) ukazují zvětšené XRD vzory GO a rGO. Difrakční vrchol se zvětšuje ve zvětšeném vzoru GO při = 9,8° ( rozteč = 0,88160) a předpokládá se významné zvýšení rozestupu z následujícího důvodu: kyslíkové funkční skupiny interkalují v mezivrstvě grafitu. Existuje velmi slabý difrakční vrchol při = 42,3°, což se předpokládá v důsledku neúplné oxidace. Jak je znázorněno na obrázku 2 (c), velmi slabý a široký difrakční vrchol lze pozorovat v XRD vzoru rGO při = 25-30°; difrakční vrchol rGO je tak slabý, že nemůže být viditelný, když je nakreslen společně v XRD vzoru s grafitem a GO(Obrázek 2 (a)). Existuje také slabý difrakční vrchol při = 42,3°.

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)

(a)
(a)(b)
(b) (c)
(c)

Obrázek 2
rentgenové difrakční vzory. (a) grafit, GO a rGO; (b) zvětšený pohled na GO; (c) zvětšený pohled na rGO.

3.2. FTIR-ATR

FTIR – ATR spektra GO a rGO jsou znázorněny na obrázcích 3 a 4. Některé funkční skupiny GO uhlík-kyslík jsou pozorovány na obrázku 3, jako je O-H, C=O, C-OH A C-O. charakteristický vrchol (~3464 cm-1−je považován za přisuzovaný O-H protahování hydroxylových a karboxylových skupin a charakteristické vrcholy C=O (~1639 cm-1), C–OH (~1288 cm−1) a C–O (~1003 cm−1) jsou také považovány za přisuzované karboxylové kyselině a karbonylovým skupinám . A charakteristický vrchol při 1493 cm-1 odpovídá C=C kosterní vibraci neoxidované grafitické domény. Tyto kyslíkové funkční skupiny naznačují, že vločkový grafitový prášek byl oxidován. Jak je znázorněno na obrázku 4, nebyl pozorován žádný zřejmý vrchol, což znamená, že došlo k úplnému snížení GO. Zatímco všechny funkční skupiny uhlík-kyslík existovaly, jejich charakteristické vrcholy jsou jen velmi slabé.

obrázek 3
FTIR – ATR spektra GO.

obrázek 4
FTIR – ATR spektra rGO.

3.3. Rastrovací elektronový mikroskop

obrázek 5 ukazuje sem morfologii rGO, která byla sušena při 80°C po dobu 1 dne. Jak je znázorněno na obrázku 5, lze pozorovat 2-rozměrný materiál. Skládaná struktura se nachází jak na povrchu, tak na okraji prášku rGO. Jsou to typické morfologie několika vrstev rGo . Tloušťka rGO může být 10 nm a je zřejmé, že RGO vrstvy mají poměrně velký rozměr (mnohem větší než 100 nm), a rGO znovu dohromady. Důvodem reagglomerátu může být dlouhodobá vysokoteplotní léčba. Morfologii grafitu (fold struktura) lze také nalézt na obrázku 5.

(a)
(a)
(b)
(b)

(a)
(a)(b)
(b)

obrázek 5
sem morfologie rGO.

reakční mechanismus redukce oxidu grafitu na bázi roztoku bude diskutován, začít s mechanismem Hummerů, ačkoli KMnO4 se používá jako druh oxidačního činidla. Dreyer a kol. věřil, že aktivní druh byl Mn2O7. Následující rovnice udává reakci mezi KMnO4 a H2SO4:

při nízkoteplotní reakci byl okraj grafitu oxidován a interkalován pomocí oxidačního činidla. – OH byl vytvořen během tohoto procesu. Při reakci na střední teplotu se zvyšující se teplotou oxidační schopnost dále zlepšuje. V tomto procesu se vytváří více kyslíkových funkčních skupin a oxidační činidlo proniká do vnitřní vrstvy grafitu; proto tento proces vede ke zvýšení rozestupu. Při vysokoteplotní reakci koncentrovaný H2SO4 uvolňuje velké množství tepla během procesu zavlažování. Síla mezi vrstvami je zničena a nakonec může být GO plně exfoliován na jednotlivé vrstvy. Za druhé, plně exfoliovaný GO bude redukován na rGO pomocí vodného a hydrazinového hydrátu NH3H2O.

mechanismus redukce GO na základě řešení je zcela odlišný od mechanismu tradičních CVD. Tvorba grafenu na sypkém kovu pomocí CVD zahrnuje tři kroky . Za prvé, uhlovodík by mohl být disociován dehydrogenací; druhý, druhy uhlíku difundují a rozpouštějí se do sypkého kovu při teplotě růstu; důvod, proč přechodné kovy mohou sloužit jako akceptor elektronů, je kvůli prázdné d-skořápce; za třetí, druhy uhlíku se vysráží z sypkého kovu na kovový povrch při rychlém kalení, zahájí proces Segregace a vytvoří voštinovou mřížku, protože rozpustnost během procesu chlazení klesá.

4. Závěr

GO byl připraven Hummerovou metodou a rGO bylo připraveno za pomoci NH3H2O vodného a hydrazinového hydrátu úspěšně. Výsledky charakterizace ukazují, že rozteč vrstev oxidu grafitu byla delší než u grafitu. Krystalová struktura grafitu byla změněna. Grafit byl oxidován na GO a v GO bylo nalezeno mnoho skupin obsahujících kyslík. Typické morfologie záhybů byly nalezeny jak na povrchu, tak na okraji rGO.

ve srovnání s tradiční metodou CVD může Hummersova metoda syntetizovat GO ve velkém měřítku, pak lze rGO připravit pomocí redukovaného činidla a tento proces stojí trochu. Mezitím se připravený GO snadno rozptýlí v roztoku. V tomto případě je modifikace GO snadná a je vhodná pro aplikaci GO v kompozitech a zařízeních pro ukládání energie.

střet zájmů

autoři prohlašují, že v souvislosti s publikováním tohoto příspěvku nedochází ke střetu zájmů.

poděkování

autoři uznávají financování z Národní Přírodovědné nadace Číny (č. 51302320) a základních výzkumných fondů pro centrální univerzity (č. 14CX05094A).

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.