IVF

Chasing Dreams

badanie zredukowanego wytwarzania tlenku grafenu metodą Hummersa i powiązanej charakterystyki

Streszczenie

jako nowy dwuwymiarowy materiał węglowy, grafen ma drobne potencjalne zastosowania w dziedzinie środka przenoszącego elektrony i materiału superkondensatora ze względu na doskonałe właściwości elektroniczne i optyczne. Jednak wyzwaniem jest synteza grafenu w ilości masowej. W tym artykule tlenek grafitu otrzymano z naturalnego grafitu płatkowego metodą Hummersa poprzez ciekłe utlenianie, a zredukowany tlenek grafenu otrzymano przez chemiczną redukcję tlenku grafenu przy użyciu wodnego roztworu nh3h2o i hydratu hydrazyny. Surowiec grafit, tlenek grafitu i zredukowany tlenek grafenu charakteryzowały się dyfrakcją rentgenowską (XRD), atenuowaną całkowitą spektroskopią w podczerwieni (ATR-IR) i skaningowym mikroskopem elektronowym (sem). Wyniki wykazały, że odstęp między odległościami tlenku grafitu był dłuższy niż w przypadku grafitu i zmieniono strukturę krystaliczną grafitu. Grafit płatkowy utleniono do tlenku grafitu i znaleziono wiele grup zawierających tlen w tlenku grafitu. W morfologii próbek stwierdzono strukturę fałdową zarówno na powierzchni, jak i na krawędzi zredukowanego tlenku grafenu.

1. Wprowadzenie

grafen jest nowym 2-wymiarowym materiałem, który został po raz pierwszy oddzielony od grafitu metodą mechanicznego usuwania w 2004 roku . Jako alotropa pierwiastka węgla, jest to płaski arkusz atomów węgla ułożony w sześciokąt . „Najcieńszy” znany materiał grafen może być stosowany do biosensorów, przezroczystych elektrod, magazynowania wodoru , kompozytów i superkondensatorów o wysokiej energii ze względu na wysoką przezroczystość optyczną i elektronową oraz doskonałe właściwości mechaniczne .

istnieje wiele sposobów syntezy grafenu , takich jak złuszczanie i rozszczepianie, chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), rozkład termiczny i redukcja elektrochemiczna. Wśród tych metod przygotowania, redukcja tlenku grafitu (GO) oparta na roztworze jest atrakcyjna ze względu na łatwą obsługę w ostatnich latach. Obejmuje ona trzy typowe etapy tej metody. Są to utlenianie grafitu, wodna dyspersja i redukcja GO. Metody wynalezione przez Brodiego, Staudenmaiera i Hummera są szeroko stosowane do utleniania grafitu . Metoda Hummersa jest popularna z następujących powodów. Najpierw KClO3 został zastąpiony przez KMnO4 jako środek utleniający. W tym stanie produkty uboczne toksycznego gazu zostały wyeliminowane, a bezpieczeństwo eksperymentów zostało poprawione. Co więcej, czas utleniania został skrócony, a ostatnio łatwo było złuszczać otrzymany produkt w wodzie. W pracy wykorzystano metodę Hummersa do przygotowania GO, a redukcję GO (RGO) uzyskano za pomocą wodnego roztworu nh3h2o i hydratu hydrazyny.

2. Eksperymentalne

2.1. Surowce

proszek grafitowy płatkowy, 98 wt.% H2SO4, KMnO4, NaNO3, woda dejonizowana, wodny nh3h2o, rozcieńczony wodny HCl,wodny 30% H2O2 i wodny 80% hydrazyny.

2.2. Przygotowanie Grafenu
2.2.1. Preparat GO

mieszaninę grafitu płatkowego / NaNO3 przygotowano w stosunku wagowym 2 : 1. Mieszaninę dodano do zlewki z pewną ilością 98 wt.% H2SO4 w temperaturze 15°C i otrzymano zawiesinę. Następnie proszek KMnO4, który działał jako środek utleniający, stopniowo dodawano do zawiesiny z ciągłym mieszaniem. Masa proszku KMnO4 jest 3 razy większa od masy mieszaniny. Były 3 kroki dla następującego procesu. Przede wszystkim jest to reakcja w niskiej temperaturze. Temperaturę mieszaniny kontrolowano poniżej 20°C przez 2 godziny; w tym samym czasie zawiesinę należy mieszać w sposób ciągły. Drugim etapem jest reakcja w średniej temperaturze. Temperaturę mieszaniny utrzymywano w temperaturze 35°C przez 30 minut po całkowitym rozpuszczeniu KMnO4. Wreszcie jest to reakcja wysokotemperaturowa. Do mieszaniny dodawano powoli pewną ilość wody dejonizowanej; dlatego też po rozcieńczeniu stężonego H2SO4 uwalniano dużą ilość ciepła. 15 minut później do mieszaniny dodano odpowiednio pewną ilość gorącej wody i 30% wodnego roztworu H2O2 z ciągłym mieszaniem. Jak pokazano na fig. 1, jasnożółtą otrzymaną zawiesinę filtrowano jakościowym bibułą filtracyjną, gdy była jeszcze gorąca, a stałą mieszaninę przemyto rozcieńczoną wodną i destylowaną wodą HCl i wysuszono w piecu próżniowym w temperaturze 70°C przez 24 godziny.

Rysunek 1
wzór powstałej zawiesiny.

2.2.2. preparat rGO

400 mg GO rozproszono w 400 mL wody za pomocą 30-minutowego leczenia ultradźwiękowego. W rezultacie otrzymano jednorodną brązową zawiesinę wodną GO. PH zawiesiny dostosowano do 10 przez upuszczenie NH3H2O. do zawiesiny dodano mocowanie hydrat hydrazyny i ogrzewano w temperaturze 80°C przez 24 godziny, a stosunek wagowy hydrat hydrazyny I GO kontrolowano w temperaturze 10: 7. Z roztworu stopniowo wytrącano rodzaj czarnej flokulanty. Produkt otrzymano przez filtrowanie za pomocą wysokiej jakości bibuły filtracyjnej. Ostatecznie otrzymany czarny produkt przemyto metanolem i wodą i wysuszono w temperaturze 80°C przez 24 godziny.

2.3. Charakterystyka materiałów

cechy krystaliczne grafitu płatkowego, GO i rGO uzyskano przez Xrd (współpraca AXS, Niemcy), z prędkością Skanowania 4°/min od 5 do 60° kątów. Odstępy między warstwami (odstępy) można obliczyć za pomocą równania Bragga, można również zaobserwować zmianę piku dyfrakcyjnego. Mikromorfologia rGO została zaobserwowana przez SEM (JSM-6700f, Japonia), przy napięciu przyspieszenia od 0,5 do 30 KV. Widma wysuszonego GO i rGO uzyskano za pomocą tensora 27 FTIR−ATR (Bruker cooperation, Niemcy), z rozdzielczością 4 cm−1 od 3700 do 500 cm-1 regionu widmowego i można zaobserwować grupy funkcjonalne GO i RGO.

3. Wynik i dyskusja

3.1. Dyfrakcja rentgenowska

jak pokazano na fig. 2(A). Grafit płatkowy wykazuje podstawowy pik dyfrakcyjny (002) przy = 26,5° ( odstęp = 0,33630 nm), który jest bardzo ostry. Istnieje również bardzo słaby pik dyfrakcyjny (004) przy = 54,8° ( odstęp = 0,16738 nm). Pik dyfrakcyjny (004) jest drugą dyfrakcją piku dyfrakcyjnego (002) zgodnie z zasadami przestrzennego układu warstw mikrokryształów; zatem intensywność piku dyfrakcyjnego (004) jest znacznie słabsza niż piku dyfrakcyjnego (002). Pik dyfrakcyjny przy około = 9,8° jest bardzo typowy dla GO; nie można znaleźć widocznego piku dyfrakcyjnego dla RGO w jego wzorze XRD. Wynik ten jest podobny do tego z Tapas Kuila, który już opisał strukturę GO i rGO przez XRD. Rysunki 2(b) i 2(c) pokazują powiększone wzory Xrd GO i rGO. Pik dyfrakcyjny staje się szerszy w rozszerzonym wzorze GO przy = 9,8° (odstęp = 0,88160) i uważa się, że znaczny wzrost odstępu wynika z następującego powodu: grupy funkcyjne tlenu interkalują w międzywarstwie grafitu. Istnieje bardzo słaby pik dyfrakcyjny przy = 42,3°, co uważa się za spowodowane niepełnym utlenieniem. Jak pokazano na fig. 2 (c), bardzo słaby i szeroki pik dyfrakcyjny można zaobserwować w Xrd wzorze rGO przy = 25-30°; pik dyfrakcyjny rGO jest tak słaby, że nie może być widoczny po narysowaniu razem we wzorze XRD z grafitem i GO (Rysunek 2(A)). Istnieje również słaby pik dyfrakcyjny przy = 42,3°.

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

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

Rysunek 2
wzorce dyfrakcji rentgenowskiej. (a) graphite, GO i rGO; (b) powiększony widok GO; (c) powiększony widok rGO.

3.2. FTIR-ATR

widma FTIR-ATR GO i rGO przedstawiono na fig. 3 i 4. 3, takie jak O–H, C=O, C–OH I C–O. uważa się, że charakterystyczny pik (~3464 cm−1) przypisuje się rozciąganiu O–H grup hydroksylowych i karboksylowych, a charakterystyczne piki C=O (~1639 cm−1), C–OH (~1288 cm−1) i C–O (~1003 cm−1) przypisuje się również kwasowi karboksylowemu i grupom karboksylowym . A charakterystyczny pik na 1493 cm-1 odpowiada drganiom szkieletowym C=C nieutlenionej domeny grafitowej. Te grupy funkcyjne tlenu wskazują, że płatkowy proszek grafitowy został utleniony, aby przejść. Jak pokazano na rysunku 4, nie można było zaobserwować oczywistego szczytu,co oznacza, że dokonano pełnej redukcji GO. Podczas gdy wszystkie grupy funkcyjne węgla i tlenu istniały, ich charakterystyczne piki są po prostu bardzo słabe.

Rysunek 3
FTIR-ATR spectra of GO.

Rysunek 4
FTIR-widmo ATR RGO.

3.3. Skaningowy mikroskop elektronowy

Fig.5 przedstawia morfologię SEM rGO, który suszono w temperaturze 80°C przez 1 dzień. Jak pokazano na fig. 5, można zaobserwować materiał dwuwymiarowy. Struktura fałdowa znajduje się zarówno na powierzchni, jak i na krawędzi proszku rGO. Są to typowe morfologie kilkuwarstwowych rGo . Grubość rGO może wynosić 10 nm i jest oczywiście, że warstwy RGO mają dość duży wymiar(znacznie większy niż 100 nm), a rGO ponownie połączone. Przyczyną odczynnika może być długotrwała obróbka wysokotemperaturowa. Morfologię grafitu (struktura fałdowa) można również znaleźć na rysunku 5.

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

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

Rysunek 5
sem morfologia rGO.

omówiony zostanie mechanizm reakcji redukcji tlenku grafitu na bazie roztworu, zaczynając od mechanizmu Hummerów, chociaż KMnO4 jest używany jako rodzaj środka utleniającego. Dreyer i in. uważa się, że aktywnym gatunkiem jest Mn2O7. Następujące równanie daje reakcję między KMnO4 i H2SO4:

w reakcji niskotemperaturowej krawędź grafitu utleniono i interkalowano za pomocą środka utleniającego. – OH powstał podczas tego procesu. W reakcji w średniej temperaturze, wraz ze wzrostem temperatury, poprawia się również zdolność utleniania. W tym procesie powstaje więcej grup funkcyjnych tlenu, a środek utleniający wnika do wewnętrznej warstwy grafitu; dlatego proces ten powoduje zwiększenie odstępów. W reakcji wysokotemperaturowej skoncentrowany H2SO4 uwalnia dużą ilość ciepła podczas procesu podlewania. Siła między warstwami zostaje zniszczona i w końcu GO może być całkowicie złuszczony na pojedyncze warstwy. Po drugie, w pełni złuszczony GO zostanie zredukowany do rGO za pomocą wodnego NH3H2O i hydratu hydrazyny.

mechanizm redukcji GO oparty na rozwiązaniach jest zupełnie inny niż w przypadku tradycyjnych CVD. Tworzenie grafenu na masowym metalu przez CVD obejmuje trzy etapy . Po pierwsze, węglowodór może być dysocjowany przez dehydrogenację; po drugie, gatunki węgla dyfundują i rozpuszczają się w masowym metalu w temperaturze wzrostu; powodem, dla którego metale przejściowe mogą służyć jako akceptor elektronów, jest pusta powłoka d; po trzecie, gatunki węgla wytrącają się z masowego metalu na powierzchnię metalu po szybkim hartowaniu, rozpoczynają proces segregacji i budują siatkę o strukturze plastra miodu, ponieważ rozpuszczalność zmniejsza się podczas procesu chłodzenia.

4. Wniosek

GO przygotowano metodą Hummersa, a rGO przygotowano z powodzeniem przy pomocy wodnego i hydrazyn nh3h2o. Wyniki charakterystyki wskazują, że odstęp między warstwami tlenku grafitu był dłuższy niż grafitu. Zmieniono strukturę krystaliczną grafitu. Grafit utleniono, aby przejść i wiele grup zawierających tlen znaleziono w Przejść. Typowe morfologie fałdowe stwierdzono zarówno na powierzchni, jak i krawędzi rGO.

w porównaniu z tradycyjną metodą CVD, metoda Hummersa może syntetyzować GO na dużą skalę, a następnie RGO można przygotować za pomocą zmniejszonego środka, a ten proces kosztuje trochę. Tymczasem przygotowany GO jest łatwo rozproszony w roztworze. W tym przypadku modyfikacja GO jest łatwa i nadaje się do zastosowania w kompozytach i urządzeniach magazynujących energię.

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją niniejszego artykułu.

podziękowania

autorzy potwierdzają finansowanie z National Natural Science Foundation Of China (nr 51302320) i funduszy badań podstawowych dla Uniwersytetów centralnych (nr 14cx05094a).

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.