ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО РАССЛАИВАНИЯ ГРАФИТА
Аннотация
В работе исследованы процессы, протекающие при электрохимическом диспергировании графита в растворе серной кислоты. Показана возможность получения коллоидных растворов графена посредством сочетания электрохимического и ультразвукового диспергирования графита. Установлено, что увеличение рабочего напряжения на ячейке приводит к образованию большего количества поверхностных кислородсодержащих групп. Это позволяет увеличить выход наноразмерных частиц. Ультразвуковая обработка приводит к дополнительному расщеплению графеновых пластин и отделению наноразмерных частиц от недостаточно окисленных частиц графита. Методом рентгеноструктурного анализа исследована толщина частиц графита на каждой стадии получения наночастиц. Установлено, что в результате электрохимического расслаивания образуется смесь крупных, неразбившихся частиц графита и наноразмерных пластин графита. Посредством ультразвукового диспергирования с последующей классификацией частиц удается получить коллоидные растворы малослойного графена с толщиной пластины порядка 1 нм. При рабочем напряжении ячейки равному 10 В достигается выход наночастиц 10%, изменение рабочего напряжения не оказывает существенного влияния на концентрацию получаемого коллоида. Исследовано влияние добавки поверхностно-активных веществ неионогенного и анионогенного типов при ультразвуковой обработке электрохимически диспергированного графита на выход наноразмерной фазы и концентрацию получаемого коллоида. Применение неионогенного ПАВ (ОП-10) негативно влияет как на выход наночастиц, так и на концентрацию получаемого коллоида. Применение додецилсульфоната натрия на стадии ультразвукового диспергирования позволяет увеличить выход наночастиц до 22% и концентрацию графеновых частиц в коллоиде до 2,7 г/л. Полученные коллоидные растворы стабильны более года, за это время не наблюдалось какого-либо выпадения осадка.
Литература
Chung D.D.L. Review graphite. J. Mater. Sci. 2002. 37. P. 1475-1489. DOI: 10.5402/2012/852405.
Zheng Q. Transparent conductive films consisting of ultra-large graphene sheets produced by Langmuir-Blodgett as-sembly. ACS Nano. 2011. V. 5. N 7. P. 6039–6051. DOI: 10.1021/nn2018683.
Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 2004. V. 306. N 5696. P. 666-669. DOI: 10.1126/science.1102896.
Novoselov K.S., Jiang D., Schedin F., Booth T.J., Khotkevich V.V., Morozov S.V., Geim A.K. Two-dimensional atomic crystals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005. V. 102. N 30. P. 10451-10453. DOI: 10.1073/pnas.0502848102.
Meyer J.C., Geim A.K., Katsnelson M.I., Novoselov K.S., Booth T.J., Roth S. The structure of suspended graphene sheets. Nature. 2007. V. 446. N 7131. P. 60-63. DOI: 10.1038/nature05545.
Park S., Ruoff R.S. Chemical methods for the production of graphenes. Nat. Nanotechnol. 2009. V. 4. N 4. P. 217-224. DOI: 10.1038/nnano.2009.58.
Hass J., de Heer W.A., Conrad E.H. The growth and mor-phology of epitaxial multilayer graphene. J. Phys.: Condens. Matter. 2008. V. 20. P. 323202. DOI: 10.1088/0953-8984/20/32/323202.
Paredes J.I., Villar-Rodil S., MartõÂnez-Alonso A., Tascon J.M.D. Graphene oxide dispersions in organic sol-vents. Langmuir. 2008. V. 24. N 19. P. 10560-10564. DOI: 10.1021/la801744a.
Zhu Y., Stoller M.D., Cai W., Velamakanni A., Piner R.D., Chen D., Ruoff R.S. Exfoliation of graphite oxide in propylene carbonate and thermal reduction of the resulting graphene oxide platelets. ACS Nano. 2007. V. 4. N 2. P. 1227-1233. DOI: 10.1021/nn901689k.
Park S., An J., Jung I., Piner R.D., An S.J., Li X., Vela-makanni A., Ruoff R.S. Colloidal suspensions of highly reduced graphene oxide in a wide variety of organic solvents. Nano Lett. 2009. V. 9. N 4. P. 1593-1597. DOI: 10.1021/nl803798y.
Liang Y., Wu D., Feng X., MuÈllen K. Dispersion of graphene sheets in organic solvent supported by ionic inter-actions. Adv. Mater. 2009. V. 21. N 17. P. 1679-1683. DOI: 10.1002/adma.200803160.
Liu J. Improved synthesis of graphene flakes from the mul-tiple electrochemical exfoliation of graphite rod. NanoEnergy. 2013. V. 2. P. 377-386. DOI: 10.1016/nn201211003.
Stoller D.M. Best practice methods for determining an elec-trode material’s performance for ultracapacitors. Energ. Envi-ron. Sci. 2010. V. 3. P. 1294 - 1301. DOI: 10.1039/C0EE00074D.
Parvez, K. Electrochemically exfoliated graphene as solu-tion-processable, highly conductive electrodes for organic electronics. ACS Nano. 2013. V. 7. P. 3598-3606. DOI: 10.1021/nn400576v.
Cooper A.J., Wilson N.R., Kinloch I.A., Dryfe R.A.W. Single stage electrochemical exfoliation method for the pro-duction of few-layer graphene via intercalation of tetraalkylammonium cations. Carbon. 2014. V. 66. P. 340-350. DOI: 10.1016/ j.carbon.2013.09.009.
Alanyalıoğlu M., Segura J.J., Oró-Solè J., Casañ-Pastor N. The synthesis of graphene sheets with controlled thick-ness and order using surfactant-assisted electrochemical pro-cesses. Carbon. V. 50. I. 1. P. 142-152. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.07.064.
Najafabadi A.N., Gyenge E . High-yield graphene produc-tion by electrochemical exfoliation of graphite: Novel ionic liquid (IL)–acetonitrile electrolyte with low IL content. Car-bon. V. 71. P. 58-69. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.01.012.
Zhang K. Engineering graphene for high-performance su-percapacitors: Enabling role of colloidal chemistry. J. Energ. Chem. 2018. V. 27. Iss. 1. P. 1-5. DOI: 10.1016/j.jechem.2017.11.027.
Bratkov I.V., Yudina T.F., Mel'nikov A.G., Yershova T.V., Filimonov D.A. Electrophoretic deposition of dis-persed graphite and electrochemical properties of the obtained films. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 3. P. 77-82 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.2017603.5451.
Stobinski L., Lesiak B., Malolepszy A., Mazurkiewicz M., Mierzwa B., Zemek J., Jiricek P., Bieloshapka I. Graphene oxide and reduced graphene oxide studied by the XRD, TEM and electron spectroscopy methods. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2014. V. 195. P. 145-54. DOI: 10.1016/j.elspec.2014.07.003.
