IVF

Chasing Dreams

tutkimus pelkistetystä Grafeenioksidivalmisteesta Hummersin menetelmällä ja siihen liittyvä Luonnehdinta

Abstrakti

uutena kaksiulotteisena hiilimateriaalina grafeenilla on erinomaiset potentiaaliset Sovellukset elektroninsiirtoaineen ja superkapselimateriaalin aloilla erinomaisen elektronisen ja optisen ominaisuutensa vuoksi. Haasteena on kuitenkin syntetisoida grafeenia irtotavarana. Tässä paperissa grafiittioksidia valmistettiin luonnollisesta hiutalegrafiitista hummerien menetelmällä nestemäisellä hapetuksella, ja pelkistetty grafeenioksidi saatiin grafeenioksidin kemiallisella pelkistyksellä nh3h2o-vesiliuoksella ja hydratsiinihydraatilla. Raaka – aineelle grafiitille, grafiittioksidille ja pelkistetylle grafeenioksidille oli ominaista Röntgendiffraktio (XRD), heikennetty kokonaisheijastuskyky-infrapunaspektroskopia (ATR-IR) ja kenttäpäästöjen pyyhkäisyelektronimikroskooppi (sem). Tulokset osoittivat, että grafiittioksidin etäisyydet olivat pidemmät kuin grafiitin ja grafiitin kiderakenne muuttui. Hiutalegrafiitti hapetettiin grafiittioksidiksi ja grafiittioksidista löytyi paljon happea sisältäviä ryhmiä. Näytteiden morfologioissa sekä pelkistyneen grafeenioksidin pinnalta että reunalta löytyi poimurakennetta.

1. Johdanto

grafeeni on uudenlainen kaksiulotteinen materiaali, joka erotettiin grafiitista mekaanisella strippausmenetelmällä ensimmäisen kerran vuonna 2004 . Alkuaineen hiilen allotrooppina se on hiiliatomien muodostama tasomainen levy, joka on järjestetty kuusikulmioksi . ”Ohuinta” tunnettua materiaaligrafeenia voidaan käyttää biosensoreihin , läpinäkyviin elektrodeihin , vedyn varastointiin, komposiitteihin ja korkeaenergisiin superkondensaattoreihin sen korkean optisen ja elektronisen läpinäkyvyyden ja erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi .

grafeenin syntetisointiin on monia tapoja , kuten hilseily ja pilkkoutuminen, kemiallinen höyrypinnoitus (CVD), terminen hajoaminen ja sähkökemiallinen pelkistys. Näistä valmistusmenetelmistä grafiittioksidin (GO) liuospohjainen pelkistys on viime vuosien helpon käytön vuoksi houkutteleva. Se sisältää kolme tyypillistä vaihetta tässä menetelmässä. Ne ovat grafiitin hapettumista, mennä vesidispersiota, ja mennä pelkistys. Brodien, Staudenmaierin ja hummereiden keksimiä menetelmiä käytetään laajalti grafiitin hapettamiseen . Ja Hummers ’ menetelmä on suosittu seuraavista syistä. Ensin KClO3 korvattiin KMnO4: llä hapettimena. Tässä tilassa myrkyllisen kaasun sivutuotteet poistettiin ja kokeiden turvatoimia parannettiin. Lisäksi hapetusaika lyheni, ja viimeksi tuloksena oleva tuote oli helppo kuoria vedessä. Tässä paperissa GO: n valmistamiseen käytettiin Hummersin menetelmää ja pelkistettyä GO: ta (RGO) saatiin nh3h2o: n vesiliuoksen ja hydratsiinihydraatin avulla.

2. Kokeellinen

2, 1. Raaka-aineet

Hiutalegrafiittijauhe, 98 wt.% H2SO4, KMnO4, NaNO3, deionisoitu vesi, nh3h2o vesipitoinen, laimea HCl vesipitoinen, 30% H2O2 vesipitoinen ja 80% hydratsiinihydraatti vesipitoinen.

2.2. Grafeenivalmiste
2, 2, 1. GO-valmiste

hiutalegrafiitin / NaNO3 seos valmistettiin painosuhteessa 2: 1. Seos lisättiin dekantterilasiin, jossa oli tietty määrä 98 wt: tä.% H2SO4 15°C: ssa ja saatiin suspensio. Sitten hapetusaineena toiminut KMnO4-jauhe lisättiin suspensioon vähitellen jatkuvalla sekoittamisella. KMnO4-jauheen paino on 3 kertaa niin paljon kuin seoksen. Seuraavassa prosessissa oli 3 vaihetta. Ensinnäkin se on matalan lämpötilan reaktio. Seoksen lämpötilaa säädeltiin alle 20°C: ssa 2 tunnin ajan; samanaikaisesti suspensiota sekoitetaan jatkuvasti. Toinen vaihe on keskilämpötilareaktio. Seoksen lämpötila pidettiin 35°C: ssa 30 minuuttia KMnO4: n täydellisen liuenneen. Lopuksi se on korkean lämpötilan reaktio. Tietty määrä deionisoitua vettä lisättiin seokseen hitaasti; siksi suuri määrä lämpöä vapautui, kun väkevää H2SO4: ää laimennettiin. 15 minuuttia myöhemmin seokseen lisättiin tietty määrä kuumaa vettä ja 30% H2O2-vesiliuosta jatkuvasti sekoittaen. Kuten kuva 1 osoittaa, kirkkaankeltainen suspensio suodatettiin laadullisella suodatinpaperilla, kun se oli vielä kuumaa, ja kiinteä seos pestiin laimealla HCl: n vesipitoisella ja tislatulla vedellä ja kuivattiin tyhjiöuunissa 70°C: ssa 24 tunnin ajan..

Kuva 1
tuloksena oleva suspensio.

2.2.2. rGO-valmiste

400 mg GO hajotettiin 400 mL: aan vettä 30 minuutin ultraäänikäsittelyn avulla. Tämän seurauksena saatiin homogeeninen ruskea GO-vesisuspensio. Suspension pH säädettiin 10: een pudottamalla nh3h2o. suspensioon lisättiin hydratsiinihydraattia, jota kuumennettiin 80°C : ssa 24 tunnin ajan, ja hydratsiinihydraatin ja GO: n painosuhdetta säädettiin 10: 7. Liuoksesta saostui vähitellen eräänlaista mustaa hiutalemaista ainetta. Tuote saatiin suodattamalla kvalitatiivisella suodatinpaperilla. Lopuksi saatu musta tuote pestiin metanolilla ja vedellä ja kuivattiin 80°C: ssa 24 tunnin ajan.

2,3.

hiutagrafiitin, GO: n ja rGO: n Kidepiirteet saatiin XRD: llä (AXS-yhteistyö, Saksa), jonka skannausnopeus oli 4°/min 5-60° kulmista. Kerrosväli (spacing) voitiin laskea Bragg-yhtälön avulla, ja myös diffraktiopiikin muutos voitiin havaita. RGO: n mikromorfologian havaitsi sem (JSM-6700F, Japani), jonka kiihtyvyysjännite oli 0,5-30 KV. Kuivatun GO: n ja rGO: n spektrit saatiin Tensor 27 FTIR-ATR: llä (Bruker−yhteistyö, Saksa), jonka resoluutio on 4 cm−1 3700-500 cm-1 spektrialueella, ja GO: n ja rGO: n funktionaalisia ryhmiä voidaan havaita.

3. Tulos ja keskustelu

3.1. Röntgendiffraktio

kuten kuvassa 2 (a). Hiutalegrafiitilla on basaalinen diffraktiohuippu (002) lämpötilassa = 26,5° ( väli = 0,33630 nm), joka on hyvin terävä. On myös hyvin heikko diffraktiohuippu (004) lämpötilassa = 54,8° ( väli = 0,16738 nm). Diffraktiohuippu (004) on diffraktiohuipun (002) toinen diffraktio mikrokiteisten kerrosten tilajärjestelysääntöjen mukaan; näin diffraktiohuipun (004) intensiteetti on paljon heikompi kuin diffraktiohuipun (002). Diffraktiohuippu noin = 9,8° on hyvin tyypillinen GO: lle; sen XRD-kuviossa RGO: lle ei löytynyt näkyvää diffraktiohuippua. Tämä tulos on samanlainen kuin Tapas Kuila, joka oli jo kuvannut GO: n ja rGO: n rakennetta XRD: llä. Kuvissa 2 (b) ja 2 (c) esitetään GO: n ja rGO: n suurentuneet XRD-kuviot. Diffraktiohuippu tulee laajemmaksi laajennetussa Go-kuviossa = 9,8° ( väli = 0,88160) ja merkittävän etäisyyden kasvun uskotaan johtuvan seuraavasta syystä: hapen funktionaaliset ryhmät interkaloituvat grafiitin välikerroksessa. On hyvin heikko diffraktiopiikki = 42,3°, minkä uskotaan johtuvan epätäydellisestä hapettumisesta. Kuten kuvassa 2 (c) on esitetty, hyvin heikko ja laaja diffraktiopiikki voidaan havaita RGO: n XRD-kuviossa kohdassa = 25-30°; RGO: n diffraktiopiikki on niin heikko, ettei se voi olla näkyvissä, kun se piirretään yhteen XRD-kuviossa grafiitilla ja GO: lla (kuva 2(a)). On myös heikko diffraktiopiikki = 42,3°.

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

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

kuva 2
Röntgendiffraktiokuvioita. (a) grafiitti, GO ja rGO; (B) laajentunut näkymä GO; (c) laajentunut näkymä rGO.

3.2. FTIR-ATR

GO: n ja rGO: n FTIR-ATR-spektrit on esitetty kuvissa 3 ja 4. Kuvassa 3 havaitaan joitakin GO: n hiili-happi–funktionaalisia ryhmiä, kuten O–H, C=O, C–OH ja C−O. Ominaishuipun (~3464 cm–1) uskotaan johtuvan hydroksyyli−ja karboksyyliryhmien o–h−venymisestä, ja ominaishuippujen C=O (~1639 cm–1), C−OH (~1288 cm-1) ja C-O (~1003 cm-1) uskotaan johtuvan myös karboksyylihappo-ja karbonyyliryhmistä . Ja tyypillinen huippu 1493 cm-1 vastaa hapettumattoman grafiittisen domeenin c=c luuston tärinää. Nämä happifunktionaaliset ryhmät osoittavat, että hiutalegrafiittijauhe on hapetettu menemään. Kuten kuvasta 4 käy ilmi, selvää piikkiä ei voitu havaita, mikä tarkoittaa, että GO: ta vähennettiin kokonaan. Vaikka hiili-happi-funktionaalisia ryhmiä oli olemassa kaikki, niiden ominaishuiput ovat vain hyvin heikkoja.

kuva 3
Gon FTIR-ATR-spektri.

Kuva 4
rGO: n FTIR-ATR-spektri.

3.3. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi

Kuvassa 5 esitetään rGO: n sem-morfologiat.rGO: ta kuivatettiin 80°C: ssa yhden vuorokauden ajan. Kuten kuvassa 5 osoitetaan, voidaan havaita 2-ulotteinen materiaali. Taita rakenne löytyy sekä pinnalla ja reunalla RGO jauhe. Ne ovat tyypillisiä morfologioita muutaman kerroksen rGo: lle . RGO: n paksuus voi olla 10 nm ja on selvää, että RGO-kerroksilla on melko suuri ulottuvuus (paljon suurempi kuin 100 nm), ja rGO retakataan yhteen. Reagglomeraatin syy voi olla pitkäaikainen korkean lämpötilan käsittely. Grafiitin morfologia (taiterakenne) löytyy myös kuvasta 5.

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

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

kuva 5
rGO: n sem-morfologia.

Reaktiomekanismi ratkaisu-pohjainen pelkistys grafiittioksidia keskustellaan, aluksi mekanismi hummerit, vaikka KMnO4 käytetään eräänlaisena hapettava aine. Dreyer ym. uskotaan, että aktiivinen laji oli Mn2O7. Seuraava yhtälö antaa KMnO4: n ja H2SO4: n väliselle reaktiolle:

matalan lämpötilan reaktiossa grafiitin reuna hapettui ja interkaloitui hapettavan aineen avulla. – OH muodostettiin tämän prosessin aikana. Keskilämpötilareaktiossa lämpötilan noustessa hapettumiskyky paranee lisäksi. Tässä prosessissa muodostuu enemmän happi-funktionaalisia ryhmiä, ja hapettava aine tunkeutuu grafiittikerroksen sisäpuolelle; siksi tämä prosessi johtaa välien lisääntymiseen. Korkean lämpötilan reaktiossa konsentroitu H2SO4 vapauttaa suuren määrän lämpöä kasteluprosessin aikana. Kerrosten välinen voima tuhoutuu ja lopulta GO voidaan kuoria kokonaan yksittäisiksi kerroksiksi. Toiseksi täysin kuorittu GO pelkistetään rGO: ksi nh3h2o-vesipitoisen ja hydratsiinihydraatin avulla.

GO: n ratkaisupohjaisen pelkistämisen mekanismi on aivan erilainen kuin perinteisissä CVD: ssä. Grafeenin muodostuminen irtometallille CVD: n avulla sisältää kolme vaihetta . Ensinnäkin hiilivety voitaisiin dehydrogenaation avulla dissosioida; toiseksi hiililaji diffuusi ja liukenee irtotavarametalliin kasvulämpötilassa; syy siihen, miksi siirtymämetallit voisivat toimia elektronien hyväksyjänä, johtuu tyhjästä d-kuoresta; kolmanneksi hiililajit saostuvat irtotavarasta metallipinnalle nopean sammuttamisen jälkeen, aloittavat erotteluprosessin ja rakentavat hunajakennon hilan, koska liukoisuus vähenee jäähdytysprosessin aikana.

4. Johtopäätös

GO valmistettiin Hummersin menetelmällä ja rGO valmistettiin nh3h2o-vesipitoisen ja hydratsiinihydraatin avulla onnistuneesti. Luonnehdintatulokset osoittavat, että grafiittioksidin kerrosväli oli pidempi kuin grafiitin. Grafiitin kiderakenne muuttui. Grafiitti hapettui GO: ksi ja GO: ssa oli paljon happea sisältäviä ryhmiä. Tyypillisiä taittomorfologioita löytyi sekä RGO: n pinnalta että reunalta.

perinteiseen CVD-menetelmään verrattuna Hummersin menetelmällä voidaan syntetisoida GO suuressa mittakaavassa, sitten rGO voidaan valmistaa pelkistetyn aineen avulla, ja tämä prosessi maksaa hieman. Samaan aikaan valmis GO hajotetaan helposti liuoksessa. Tässä tapauksessa GO: n muokkaaminen on helppoa ja se sopii Go-levitykseen komposiiteissa ja energian varastointilaitteissa.

eturistiriidat

kirjoittajat ilmoittavat, ettei tämän lehden julkaisemiseen liity eturistiriitoja.

kiitokset

kirjoittajat kuittaavat rahoituksen Kiinan National Natural Science Foundationilta (nro 51302320) ja Keskusyliopistojen Perustutkimusrahastoilta (nro 14cx05094a).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.