بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش صورت گرفته، با استفاده از یک روش آسان و کم هزینه، سایش الکتروشیمیایی ورقه گرافیت در یک محلول نمکی، منجر به تولید نانوصفحات کریستالی گرافن شده است. از محلول غیر آلی - NH4 - 2SO4 با غلظت 0/2 M به عنوان محیط الکترولیت استفاده شده است. فازهای تشکیل شده با استفاده از تحلیل XRD مورد مطالعه قرار گرفته است. ویژگیهای اپتیکی نمونه گرافن با کمک طیفسنجی UV-Vis مشخصهیابی شدند. تغییرات رامان نمونه گرافن نسبت به ورقه گرافیت، نشاندهنده کاهش تعداد لایههای صفحات گرافن میباشد. مورفولوژی سطح نمونه گرافن نیز با تحلیل SEM بررسی شده است.
مقدمه
در سالهای اخیر مواد دو بعدی در مقیاس نانو و طولنامحدود در صفحه، توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود جلب کرده است. به عنوان مثال گرافن یک نوع از این مواد دو
بعدی با ساختار شبکه شش ضلعی است. اتمهای کربن در رئوس یک شش ضلعی به طول ضلع 0/142 nm قرار گرفتهاند. گرافن چند لایه، شامل حاملهای بدون جرمی است که مانند یک نیمه فلز
عمل میکند. بیشترین چگالی جریانی که گرافن میتواند تحمل کند چندین میلیون برابر بیشتر از مس میباشد. این ماده همچنین از هدایت گرمایی عالی - حدود - 3000 WmK-1 برخوردار است و در مقابل نفوذ گاز مقاومت بسیار بالایی دارد .
1 همین ویژگیهای منحصر به فرد الکتریکی، مکانیکی، اپتیکی و شیمیایی، باعث شده تا انگیزه بالایی برای تولید گرافن وجود داشته باشد و بتوان از این ماده در بسیاری از زمینههای مختلف از جمله ساخت قطعات الکترونیکی، ترکیب مواد، قطعات ذخیره انرژی، ساخت سنسورها، فوتونیک و زمینههای بیولوژیکی استفاده شود .2تا کنون روشهای مختلفی برای تولید گرافن در مقیاس بالابه کار گرفته شده است. به طور کلی میتوان این روشها را به دو دسته عمده بالا به پایین و پایین به بالا تقسیمبندی کرد. برخی ازروشهای پایین به بالا مانند روشهای هامر ، رشد همبافته و
لایهنشانی بخار شیمیایی نیازمند واکنشهای شیمیایی بین مولکولیدقیق برای برقراری پیوند کوالانسی در شبکه دوبعدی است.
همچنین به دلیل تولید پایین محصول، تخریب پذیری زیستی و پر هزینه بودن آنها، روشهای مناسبی برای تولید گرافن محسوب نمیشوند. این در حالی است که روش بالا به پایین سایش
الکتروشیمیایی گرافیت در محیط مایع به دلیل زیست پذیری،سهولت، سرعت، کیفیت بالا و تولید مستقیم گرافن در چند سالاخیر توانسته است توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کند.در این کار ما توانستیم با کمک روش سایش الکتروشیمیاییورقه گرافیت در محلول غیر آلی - NH4 - 2SO4 با غلظت 0/2 Mبه عنوان الکترولیت، در یک مرحله نانوصفحات کریستالی از جنس گرافن تولید کنیم. محصول به دست آمده به کمک آنالیزهایالگوی پراش پرتو ایکس - XRD - - دستگاه - STOE-STADI، طیفسنجی مرئی فرابنفش - UV-Vis - - دستگاه - UV-2501 PC، طیفسنجی رامان - دستگاه - RM N1-541 teksan و SEM مشخصهیابی شدهاند.
روش آزمایش
سایش الکتروشیمیایی ورقه گرافیت در یک سیستم دوالکترودی، با استفاده از ورقه پلاتین با ابعاد 10×0/5 cm به عنوان الکترود شمارنده و صفحه گرافیت با ابعاد 10× 2 cm به عنوانالکترود کار که در فاصله 2/7 cm از هم قرار گرفتهاند انجام شدهاست. با اعمال ولتاژ DC به اندازه +10 V به الکترودها انرژی لازم جهت انبساط و متورق شدن ورقه گرافیت تامین می شود. معمولااز محلولهای نمکی و یونی متنوعی به عنوان محیط الکترولیت استفاده میشود. در این پژوهش فرآیند سایش الکتروشیمیایی درمحلول غیر آلی - NH4 - 2SO4 با غلظت 0/2 M صورت گرفتهاست و به مدت سه ساعت ادامه مییابد. برای ساخت محلولنمکی، ابتدا 13/21 gr از پودر - NH4 - 2SO4 را در 500 ml آب دیونیزه حل کرده و به مدت 30 دقیقه در دستگاه آلتراسونیک قرارمیدهیم. در پایان زمان انجام آزمایش به منظور حذف نمکهای اضافه همراه با گرافن، محصول نهایی با آب دیونیزه شستوشوداده شده و در نهایت در دمای 200 ⁰C خشک شده است. برای
ساخت محلول گرافن، مقدار 0/2 gr از این پودر را در 15 ml ازمحلول N,N -dimethylformamide - DMF - حل کرده و بهمدت 30 دقیقه در دستگاه آلتراسونیک قرار میدهیم.
نتایج و بحث
با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس گرفته شده از ورقهگرافیت و نمونه گرافن ساخته شده، ساختار بلوری و فازهایکریستالی تشکیل شده مشخصهیابی شده است - شکل . - 1 در
الگوی پراش ورقه گرافیت اولیه، پیک مربوط به فاز گرافیت باساختار شبکه شش ضلعی، موقعیت 2 = 26/ 3 و فاصله بین صفحات 3/38 Å مشاهده میشود - JCPDS No: 00-008-.0415 - این در حالی است که شدت این پیک در نمونه گرافنساخته شده به طرز قابل توجهی کاهش یافته، موقعیت آن به سمتزوایای بیشتر جابه جا شده - 2 = 26/ 43 - و فاصله بین صفحاتمقداری کمتر میشود . - 3/35 Å - این رفتار در گزارشهای قبلیتولید گرافن نیز دیده شده است .5
علاوه بر پیک گرافیت در نمونه گرافن ساخته شده یک پیک پهن با موقعیت حدودا 2 = 23 نیز مشاهده شده است که به صفحه - 002 - گرافن نسبت داده میشودبه منظور تعیین نوع پیوندها و مطالعه خواص اپتیکی نانوصفحات گرافن ساخته شده، از طیفسنجی UV-Vis استفاده شده است. طیف جذب گرفته شده از محلول گرافن در شکل 2قابل مشاهده میباشد. طبق این شکل پیک جذب گرافن در ناحیه مرئی و به ازای طول موج 271 nm دیده میشود که مربوط بهپیوندهای C-C نانوصفحات گرافن میباشد 8و.9 از روی میزانشدت جذب گرافن و با استفاده از قانون تجربی بیر-لامبرت - معادله - 1 میتوان ارتباط شدت نور جذب شده در اثر عبور ازماده همگن بدون پراکندگی را با غلظت ماده بیان کرد.
طبق اینرابطه هرچه تعداد مولکولهای جاذب نور با طول موج معینبیشتر باشد، مقدار جذب نور نیز افزایش مییابد .10در این رابطه A مقدار جذب، I0 شدت نور ورودی به سلولمحتوی نمونه، I شدت نور خروجی از سلول محتوی نمونه، C غلظت مولاری حل شونده، L طول سلول محتوی نمونه - برحسب - cm و قدرت جذب مولی یا همان ضریب خاموشی میباشد. عبارت log - I0/I - بهعنوان مقدار جذب یا چگالی نوری شناخته شده است و با A نمایش داده میشود. قدرت جذب مولی خصوصیت آن مولکولی است که انتقال الکترونی انجام داده و تابعپارامترهای متغیری نیست که در تهیه یک محلول ایجاد میشود.برای گرافن مقدار این ضریب برابر با 126/79 ml mg -1 cm-1 میباشد .9 میزان غلظت محاسبه شده از این رابطه بر اساس بیشینه جذب به دست آمده برای نمونه گرافن ساخته شده برابر با mg/l23 است.
به منظور بررسی کیفی تعداد لایهها و میزان نقص موجود درنمونه گرافن تولید شده از طیفسنجی رامان استفاده شده است. در شکل 3 میتوان طیف رامان ورقه گرافیت اولیه و نمونه گرافنساخته شده را مشاهده کرد. مطابق با این شکل سه پیک در عددموجهای 1358 cm-1، 1583 و 2701 مشاهده میشود که بهترتیب مربوط به باندهای D، G و 2D میباشد. باند D به دلیلوجود نقصهایی مانند لبهها و گروههای عاملی یا اختلالات ساختاری در شبکه گرافن ظاهر میشود. باند G نیز نشان دهندهمیزان نظم در شبکههای گرافیتی است و ناشی از ارتعاشپیوندهای sp2 اتمهای کربن در شبکه شش ضلعی میباشد 5و.11 باتوجه به مقدار نسبت شدت باند D به شدت باند G که برابر استبا ID/IG میتوان میزان نقص موجود در هر نمونه را مشخص کرد.
مقدار این نسبت برای فویل گرافیت و نمونه گرافن به ترتیب برابربا 0/58 و 0/91 میباشد. این تفاوت نشاندهنده این است کهنمونه گرافن تولید شده نسبت به فویل گرافیت دارای نقص بیشتری است که ناشی از گروههای عاملی اکسید و هیدرواکسید در نمونه گرافن تولید شده است .12 باند 2D نیز همیشه در نمونههای گرافیتی ظاهر میشود و ناشی از ارتعاش دو فونون شبکه است که به شدت به تعداد لایهها حساس میباشد. نسبت شدت این پیک به شدت پیک G که برابر است با I2D/IG برایفویل گرافیت و نمونه گرافن به ترتیب برابر با 0/75 و 0/86میباشد. افزایش این نسبت برای نمونه گرافن نسبت به فویل گرافیت نشاندهنده کاهش تعداد لایهها است.
