بخشی از مقاله
چکیده
اخرًیا اکسیدگرافن به دلیل داشتن خواص شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی واپتیکی منحصر به فرد، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. یکی از تنگناهای بسیار مهم تکنولوژی، تولید انبوه اکسیدگرافن است. تهیه این ماده به روشهای مختلفی انجام شده است که یکی از شاخصترین روشها، روش هومر میباشد. براساس این روش، اکسیدگرافن با دو نوع گرافیت به اندازههای 325 mesh و 500 تهیه شد. به منظور مشخصهیابی ساختاری از آنالیزهای XRD و SEM و برای شناسایی نوع پیوندهای موجود در ساختار و طیف جذبی نمونههای بدست آمده به ترتیب از طیف سنجی FT-IR و طیف سنجی UV-Vis استفاده شد. نتایج بدست آمده از XRD نشان میدهد که روش هومر، برای نمونه تهیه شده با استفاده از گرافیت با ذرات بزرگتر کارایی مطلوب خود را از دست میدهد و نیاز به اصلاحات دارد.
مقدمه
اکسیدگرافن دارای ساختار دو بعدی از اتمهای کربن است، که روی سطح آن گروههای عاملی قرار گرفته است. این گروههای عاملی در حین فرآیند ساخت به این صفحات اضافه میشوند. یک صفحه گرافن ایدهآل، فقط از اتمهای کربن با پیوندهای تشکیل شده است؛ اما وجود گروههای عاملی نظم پیوندهای قوی را بهم میزند که باعث تغییراتی در ساختار سطح و خواص الکترونی گرافن میشود. اکسیدگرافن به سبب رابطه نزدیکی که با گرافن دارد و نیز مزیتیهای از جمله مقرون به صرفه بودن وتوانایی بالا در تولید انبوه، انتخاب و مورد مطالعه قرار گرفته است.[1]روشهای ساخت بهشدت بر روی خواص الکتروشیمیایی اثرمیگذارند .[2]
روش هومر یک روش شیمیایی است که توسط اکسیداسیون گرافیت و در حضور اسیدهای قوی انجام میشود. گروههای عاملی اکسیژندار در بین صفحههای گرافن، نیروی واندروالس را مختل نموده که این امر برای ورقهای شدن اکسیدگرافن، امری ضروری است .[1] از لحاظ شیمیایی، اکسیدگرافن به اکسید گرافیت شباهت دارد اما از لحاظ ساختاری بسیار متفاوت هست. اکسیدگرافن بالاترین فرم اکسایش یافته گرافیت است. اکسایش گرافیت باکمک اکسیدکنندههای قوی از جمله پتاسیم پرمنگنات و پتاسیم کلرات صورت میگیرید .[3]اکسیدگرافن دارای گروههای اپوکسی و گروههای هیدروکسیل درصفحه و گروههای کربونیل و کربوکسیل در لبهها میباشد .[2]
این گروههای عاملی اکسیژندار باعث میشوند که خاصیت آب دوستی اکسیدگرافن افزایش یافته و مولکولهای آب بتوانند بهراحتی در بین لایهها قرار بگیرند .[4]خواصالکتریکی، مکانیکی و الکتروشیمیایی به شدت تحت تأثیر این گروههای عاملی هستند. که باعث نقص ساختار در اکسیدگرافن و نیز از دست دادن هدایت الکتریکی آن میشود که سبب محدود شدن کاربرد این ماده در مواد و دستگاههای الکتریکی میگردد .[5]در این کار پژوهشی، دونمونه گرافیت با اندازه ذرات مختلف به روش هومر سنتز شدند.
بخش تجربی
ساخت اکسیدگرافن در آزمایشگاه انرژیهای تجدیدپذیر، نانوتکنولوژی و مغناطیس دانشکده علوم دانشگاه فردوسی مشهد به انجام رسیده است.دو نمونه گرافیت فلیک با اندازه ذرات 325 mesh و 500 ازشرکت Alfa Aesar خریداری شد. گرافیت با اندازه ذرات mesh325، نمونه A و با اندازه ذرات 500 mesh نمونه B نام گذاری شدند.برای ساخت اکسیدگرافن به صورت زیر عمل نمودهایم :ابتدا 1 g نیترات سدیم را به 2 g پودر گرافیت اضافه نموده ومخلوط را توسط همزن مغناطیسی هم زده و در دمای صفر درجه نگه میداریم. سپس 50 cc اسیدسولفوریک را بسیار آرام به موادداخل بشر اضافه نموده و بعد از آن مقدار 7/3 g پتاسیم پرمنگنات را به تدریج به مدت 4 ساعت به محلول اضافه نمودیم.
پس از اتمام این مرحله، رنگ محلول سبز لجنی میباشد. سپس دما راتوسط حمام آب تا 35 درجه سانتیگراد بالا برده و مقدار 145 ccآب یون زدایی شده را به آرامی به محلول اضافه نمودیم. در مرحله بعد دما محلول را در مدت سه ساعت به صورت پلهای به دمای70 درجه میرسانیم. در نهایت، 7cc آب اکسیژنه را به محلول اضافه نمودیم. که رنگ ماده به رنگ زرد خردلی تبدیل میشود که این نشان دهندهی اکسیداسیون کامل گرافیت میباشد. محصول نهایی را سه بار با هیدروکلریک اسید 40℃ - ./.3 ، - 150cc و باآب یون زدایی شده، شستشو داده و در نهایت در آون تحت دمای50℃ به مدت 48 ساعت قرار دادیم.
نتایج و بحث
ویژگیهای اکسیدگرافن سنتز شده به روش هومر و توسط پراش سنج اشعه ایکس - - XRD ، طیف سنجی تبدیل فوریه - مادون قرمز - - FT-IR و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - بررسی شد.به منظور بررسی ساختاری و تعیین ناخالصی و فازهای ناخواسته ورقههای اکسیدگرافن از دستگاه پراش پرتو ایکس در آزمایشگاه مرکزی دانشگاه دامغان - - D8-Advance-Bruker استفاده شد. الگوهای پراش پرتو ایکس اکسیدگرافن تهیه شده در شکل 1 که مربوط به نمونه A و B میباشد؛ نمایش داده شده است. با توجه به شکل 1-A ، قلهای بلند در 2 11o مشاهده میشود، که مشخصه اصلی ساختار اکسیدگرافن است. حضور قلهای کوچک در 26 o نشان دهنده وجود گرافیت هست. در این حالت درجه اکسیداسیون پایین است وتقریبا کمتر از ./. 50 ازگرافیت اکسید نشده است.
با توجه به شکل 1-B، قلهای بسیاربلند و تیزتر در 2 = 12o مشاهده میشود که نمایانگر احیا شدن اکسیدگرافن میباشد. مطابق با این الگوی پراش XRD، اکسیداسیون گرافن تقریبا به طور کامل اتفاق افتاده و قلههای کوتاه که مربوط به گرافیت میباشد حذف شده است. همچنین فاصله بین ورقهها از 0/34 نانومتر به 0/7 نانومتر افزایش یافته است.الگوی پراش XRD دو نمونه نشان میدهد که روش هومربرای نمونه A به دلیل بزرگتر بودن اندازه ذرات مناسب نمیباشدلذا این روش برای ذرات بزرگتر نیاز به اصلاحات دارد. در نمونه B به علت کوچکتر بودن اندازه ذرات گرافیت، نسبت سطح به حجم در این حالت افزایش یافته که مستقیماً بر روی اکسایش گرافیت اثر میگذارد.در ادامه این پژوهش، خواص و ویژگیهای اکسیدگرافن نمونه B به دلیل اینکه کامل اکسید شده است مورد بررسی قرار گرفته است.
برای بررسی انواع گروههای عاملی تشکیل شده روی ورقههای اکسیدگرافن سنتز شده از دستگاه طیف سنجی FT-IR موجود در آزمایشگاه شیمی فیزیک دانشکده علوم دانشگاه فردوسی، درگسترده 4000-400 بر سانتیمتر، استفاده شد. قلهی جذب قوی در3381/14، که مربوط به گروه هیدروکسیل - -OH - ، قله جذب گروه کربوکسیل - C=O - در 1731/24 cm 1، گروه آروماتیک - C=C - در 1622/55 cm 1، گروه اپوکسی - C-O - در cm 1 1225/51 و گروه الکوکسیآلکان - C-O - در 1053/79 cm 1میباشند. شکل 2 گروههای اکسیژندار که گواه اکسایش کامل گرافیت به اکسیدگرافن میباشد را نشان میدهد.مورفولوژی و ساختار اکسیدگرافن با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - - مدل - LEO 1450 VP در آزمایشگاه دانشگاه فردوسی مشهد تعیین گردید. شکل 3 شامل تصاویرSEM اکسیدگرافن نمونه B با بزرگنماییهای متفاوت میباشد.
همانطور که در شکل 3 مشاهده میشود، ورقههای اکسیدگرافن بخاطر حضور مولکولهای اکسیژن در بین ورقههای گرافیت درحین سنتز و اکسایش نمونه، بهصورت ورقههای نامنظم روی یکدیگر قرار گرفتهاند. در طی فرآیند اکسایش، فضای بین لایههای گرافیت که ازطریق پیوند به یکدیگر متصلاند، به خاطر اضافه شدن گروههای عاملی همانند هیدروکسیل، کربوکسیل و اپوکسی افزایش مییابد 7]،.[6 در نتیجه پیوند میان این لایهها با انرژی بسیار کمی میتواند شکسته شود و ورقههای اکسیدگرافن پس ازکاهش، به صورت ورقههای چین خورده به نظر میرسند. علت اصلی چین و چروک روی ورقههای اکسیدگرافن، پیوندهای هیدروژنی است که بهطور غیریکنواخت روی سطح آنها توزیع شدهاند و باعث تشکیل گروههای عاملی روی سطح اکسیدگرافن میشوند .[8]خواص جذب نوری اکسیدگرافن توسط دستگاه طیف سنجی اشعه ماورای بنفش–مرئی - مدل - photonix Ar 2015 در مرکز
