IVF

Chasing Dreams

studie van de gereduceerde bereiding van Grafeenoxide volgens de Hummers-methode en daarmee samenhangende karakterisering

Abstract

als nieuw tweedimensionaal koolstofmateriaal heeft grafeen fijne potentiële toepassingen op het gebied van elektronenoverdrachtmiddel en supercondensormateriaal vanwege zijn uitstekende elektronische en optische eigenschap. De uitdaging is echter om grafeen in bulk te synthetiseren. In dit artikel werd grafietoxide bereid uit natuurlijk vlokkengrafiet door middel van Hummers’ methode door middel van vloeibare oxidatie, en het gereduceerde grafeenoxide werd verkregen door chemische reductie van grafeenoxide met behulp van nh3h2o waterige oplossing en hydrazinehydraat. De grondstof grafiet, grafietoxide, en gereduceerde grafeenoxide werden gekenmerkt door X-ray diffractie (XRD), verzwakte totale reflectie-infrarode spectroscopie (ATR-IR), en veld emissie scanning elektronenmicroscoop (SEM). Uit de resultaten bleek dat de afstand tussen grafietoxide en grafiet langer was dan die van grafiet en dat de kristalstructuur van grafiet werd gewijzigd. Het vlokkengrafiet werd geoxideerd tot grafietoxide en veel zuurstofhoudende groepen werden gevonden in het grafietoxide. In de morfologieën van steekproeven, werd de vouwstructuur gevonden op zowel het oppervlakte als de rand van verminderd grafeenoxide.

1. Inleiding

grafeen is een nieuw tweedimensionaal materiaal dat Voor het eerst werd gescheiden van grafiet door middel van een mechanische stripmethode in 2004 . Als allotrope van element koolstof, is het een vlakke plaat van koolstofatomen gerangschikt in zeshoek . Het” dunste ” bekende materiaal grafeen kan worden gebruikt voor biosensoren, transparante elektroden, waterstofopslag , composieten en hoge energie supercapacitors voor zijn hoge optische en elektronentransparantie en uitstekende mechanische eigenschappen .

er zijn vele manieren om grafeen te synthetiseren , zoals exfoliatie en splitsing, chemische dampdepositie (CVD), thermische ontleding en elektrochemische reductie. Onder deze bereidingsmethoden is de oplossingsgebaseerde reductie van grafietoxide (GO) aantrekkelijk voor de eenvoudige bediening van de afgelopen jaren. Het omvat drie typische stappen in deze methode. Ze zijn grafiet oxidatie, ga waterige dispersie, en ga reductie. De methoden uitgevonden door Brodie, Staudenmaier en Hummers worden veel gebruikt voor grafiet oxidatie . En Hummers ‘ methode is populair om de volgende redenen. Eerst werd KClO3 vervangen door KMnO4 als oxidatiemiddel. In deze toestand werden de bijproducten van giftig gas geëlimineerd en werden de effecten van experimenten verbeterd. Bovendien werd de oxidatietijd verkort, en laatste was het gemakkelijk om het resulterende product te exfoliëren in water. In dit artikel werd Hummers ‘ methode gebruikt om GO te bereiden en verminderde GO (rGO) werd verkregen met behulp van nh3h2o waterig en hydrazinehydraat.

2. Experimenteel

2.1. Grondstoffen

Flake graphite powder, 98 GW. % H2SO4, KMnO4, NaNO3, gedeïoniseerd water, nh3h2o waterig, verdund HCl waterig, 30% H2O2 waterig, en 80% hydrazine hydraat waterig.

2.2. Grafeenpreparaat
2.2.1. GO-preparaat

het mengsel van vlokkengrafiet / NaNO3 werd bereid in een gewichtsverhouding van 2: 1. Het mengsel werd toegevoegd in een bekerglas met een bepaalde hoeveelheid van 98 wt.% H2SO4 bij 15°C en een suspensie werd verkregen. Vervolgens werd KMnO4-poeder, dat als oxidatiemiddel fungeerde, geleidelijk aan met continu roeren in de suspensie toegevoegd. Het gewicht van het KMnO4 poeder is 3 keer zoveel als dat van het mengsel. Er waren 3 stappen voor het volgende proces. Allereerst is het de lage temperatuur reactie. De temperatuur van het mengsel werd gedurende 2 uur Onder 20°C gehouden; tegelijkertijd moet de suspensie continu worden geroerd. De tweede stap is de mid temperatuur reactie. De temperatuur van het mengsel werd gedurende 30 minuten op 35°C gehouden nadat KMnO4 volledig was opgelost. Tot slot is het de reactie op hoge temperatuur. Een bepaalde hoeveelheid gedeïoniseerd water werd langzaam toegevoegd aan het mengsel; daarom kwam er een grote hoeveelheid warmte vrij bij het verdunnen van geconcentreerd H2SO4. 15 minuten later werden onder voortdurend roeren bepaalde hoeveelheden warm water en 30% H2O2 water toegevoegd aan het mengsel. Zoals figuur 1 laat zien, werd de felgele suspensie gefilterd door het kwalitatieve filtreerpapier toen het nog heet was, en het vaste mengsel werd gewassen met verdund HCl-waterig en gedestilleerd water en gedroogd in vacuümoven bij 70°C gedurende 24 uur.

figuur 1
patroon van resulterende suspensie.

2.2.2. rGO-preparaat

400 mg GO werd gedispergeerd in 400 mL water door middel van 30 minuten ultrasone behandeling. Hierdoor werd een homogene bruine waterige suspensie verkregen. De pH van de suspensie werd aangepast tot 10 door het laten vallen van NH3H2O. een berg hydrazinehydraat werd toegevoegd aan de suspensie en verwarmd bij 80°C gedurende 24 uur, en de gewichtsverhouding van hydrazinehydraat en GO werd gecontroleerd om 10: 7. Een soort zwarte vlokstof werd geleidelijk uit de oplossing neergeslagen. Het product werd verkregen door gefilterd met het kwalitatieve filtreerpapier. Ten slotte werd het resulterende zwarte product gewassen met methanol en water en gedurende 24 uur gedroogd bij 80°C.

2,3. Karakterisering van materialen

Kristalkenmerken van vlokkengrafiet, GO en rGO werden verkregen door XRD (AXS cooperation, Duitsland), met een scansnelheid van 4°/min van 5 tot 60° hoeken. De afstand tussen de lagen (afstand) kon worden berekend met behulp van de vergelijking Bragg, en de verandering van diffractiepiek kon ook worden waargenomen. De micromorfologie van rGO werd waargenomen door SEM (JSM-6700F, Japan), met de acceleratiespanning van 0,5 tot 30 KV. Spectra van gedroogde GO en rGO werden verkregen door Tensor 27 FTIR-ATR (bruker cooperation, Duitsland), met de resolutie van 4 cm−1 van 3700 tot 500 cm−1 van spectrale regio, en functionele groepen van GO en rGO kunnen worden waargenomen.

3. Resultaat en discussie

3.1. Röntgendiffractie

zoals weergegeven in Figuur 2 (a). Vlokkengrafiet vertoont een basale diffractiepiek (002) bij = 26,5° ( afstand = 0.33630 nm), die zeer scherp is. Er is ook een zeer zwakke diffractiepiek ( 004) bij = 54,8° (afstand = 0,16738 nm). De diffractiepiek (004) is de tweede diffractiepiek (002) volgens de regels van de ruimtelijke ordening van de lagen van microkristallen; de intensiteit van de diffractiepiek (004) is dus veel zwakker dan die van de diffractiepiek (002). De diffractiepiek bij ongeveer = 9,8° is zeer typerend voor GO; er kon geen duidelijke diffractiepiek worden gevonden voor rGO in zijn XRD patroon. Dit resultaat is vergelijkbaar met dat van Tapas Kuila , die al de structuur van GO en rGO door XRD had beschreven. Figuur 2 (b) en 2(c) tonen de vergrote XRD patronen van GO en rGO. Diffractiepiek wordt breder in het vergrote patroon van GO bij = 9,8° (afstand = 0,88160) en de significante toename van de afstand wordt verondersteld te wijten aan de volgende reden: zuurstof functionele groepen intercalate in de tussenlaag van grafiet. Er is een zeer zwakke diffractiepiek bij = 42,3°, wat wordt verondersteld als gevolg van de onvolledige oxidatie. Zoals blijkt uit Figuur 2 (c), kan een zeer zwakke en brede diffractiepiek worden waargenomen in het XRD-patroon van rGO bij = 25-30°; de diffractiepiek van rGO is zo zwak dat hij niet zichtbaar is wanneer hij in het XRD-patroon met grafiet en GO wordt getekend (Figuur 2(a)). Er is ook een zwakke diffractiepiek bij = 42,3°.

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

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

Figuur 2
X-ray diffractie patronen. (a) grafiet, GO en rGO; (B) vergroot zicht op GO; (c) vergroot zicht op rGO.

3.2. FTIR-ATR

FTIR-ATR-spectra van GO en rGO zijn weergegeven in de figuren 3 en 4. Sommige koolstof-zuurstof functionele groepen van GO worden waargenomen in Figuur 3, zoals O-H, C=O, c-OH, en C-O. karakteristieke piek (~3464 cm−1) wordt verondersteld te worden toegeschreven aan o–h uitrekken van hydroxyl−en carboxylgroepen, en karakteristieke pieken van C=O (~1639 cm–1), C−OH (~1288 cm–1), en C−o (~1003 cm-1) worden ook verondersteld te worden toegeschreven aan carboxylzuur-en carbonylgroepen . En de karakteristieke piek bij 1493 cm-1 komt overeen met de C = C skelettrilling van niet-geoxideerd grafietdomein. Deze zuurstof functionele groepen geven aan dat de vlokken grafiet poeder is geoxideerd om te gaan. Zoals blijkt uit Figuur 4, kon geen duidelijke piek worden waargenomen, wat betekent dat volledige vermindering van GO werd gemaakt. Terwijl koolstof-zuurstof functionele groepen allemaal bestonden, zijn hun karakteristieke pieken gewoon erg zwak.

Figuur 3
FTIR-ATR spectra van GO.

Figuur 4
FTIR-ATR spectra van rGO.

3.3. Scanning elektronenmicroscoop

Figuur 5 toont sem-morfologieën van rGO die gedurende 1 dag bij 80°C werd gedroogd. Zoals blijkt uit Figuur 5, kan 2-dimensionaal materiaal worden waargenomen. Vouw structuur kan worden gevonden op zowel het oppervlak en de rand van rGO poeder. Het zijn de typische morfologieën van weinig-laag rGo . De dikte van rGO kan 10 nm zijn en het is duidelijk dat RGO lagen vrij grote afmetingen hebben (veel groter dan 100 nm), en rGO opnieuw samen verpakt. De reden van het reagglomeraat kan de langdurige behandeling op hoge temperatuur zijn. De morfologie van grafiet (vouwstructuur) kan ook worden gevonden in Figuur 5.

(a)
(een)
(b)
b)

(a)
(a)b)
b)

Figuur 5
SEM morfologie van de rGO.

het reactiemechanisme van oplossing-gebaseerde reductie van grafietoxide zal worden besproken, om te beginnen met het mechanisme van Hummers, hoewel KMnO4 wordt gebruikt als een soort oxiderende agent. Dreyer et al. geloofde dat de actieve soort Mn2O7 was. De volgende vergelijking geeft de reactie tussen KMnO4 en H2SO4:

bij een reactie bij lage temperatuur werd de rand van grafiet geoxideerd en intercaleerd met behulp van een oxidatiemiddel. – OH werd gevormd tijdens dit proces. In mid temperatuur reactie, met de verhoging van de temperatuur, de oxidatie vermogen verbetert verder. Meer zuurstof functionele groepen worden gevormd in dit proces, en het oxiderende middel dringt in de interne laag van grafiet; daarom dit proces resulteert in de toename van de afstand. In de reactie op hoge temperatuur, geconcentreerde H2SO4 releases grote hoeveelheid warmte tijdens het proces van het drenken. Kracht tussen lagen wordt vernietigd en uiteindelijk kan de GO volledig worden geëxfolieerd naar enkele lagen. Ten tweede zal de volledig geëxfolieerde GO worden gereduceerd tot rGO met behulp van nh3h2o waterig en hydrazinehydraat.

het mechanisme van oplossingsgebaseerde reductie van GO is heel anders dan dat van de traditionele CVD. De vorming van grafeen op bulkmetaal door CVD omvat drie stappen . Ten eerste kan een koolwaterstof worden gescheiden door dehydrogenering; ten tweede diffunderen de koolstofsoorten en lossen ze op in het bulkmetaal bij de groeitemperatuur; de reden waarom overgangsmetalen als elektronenacceptor kunnen dienen is vanwege de lege D-shell; ten derde, koolstof species neerslaan uit het bulk metaal op het metaaloppervlak op het snelle blussen, start het segregatieproces, en opbouwen honingraatrooster omdat de oplosbaarheid afneemt tijdens het koelproces.

4. Conclusie

GO werd bereid met behulp van de Hummers-methode en rGO werd met succes bereid met behulp van nh3h2o waterig en hydrazinehydraat. Uit de karakteriseringsresultaten blijkt dat de afstand tussen de lagen grafietoxide langer was dan die van grafiet. De kristalstructuur van grafiet werd veranderd. Grafiet werd geoxideerd om te gaan en veel zuurstofhoudende groepen werden gevonden in de GO. De typische vouwmorfologieën werden gevonden op zowel het oppervlak als de rand van rGO.

vergeleken met de traditionele CVD-methode, kan Hummers’ methode GO op grote schaal synthetiseren, dan kan rGO worden bereid met behulp van gereduceerde agent, en dit proces kost een beetje. Ondertussen wordt de bereide GO gemakkelijk in oplossing verspreid. In dit geval is de wijziging van de GO eenvoudig en is het geschikt voor GO-toepassing in composieten en energieopslagapparaten.

belangenconflict

de auteurs verklaren dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Dankbetuigingen

de auteurs erkennen de financiering van de National Natural Science Foundation of China (nr. 51302320) en de fondsen voor fundamenteel onderzoek voor de centrale universiteiten (nr. 14CX05094A).

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.