بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش اکسید گرافن توسط روش هامر اصلاح شده ساخته شد. با کاهش اکسید گرافن توسط روشهاي تابش مایکروویو و لیزر اگزایمر، گرافن تولید شد. هدف این بود تفاوت این دو نمونه براي کاربرد در ابرخازنها مشخص شود. بنابراین ساختار هر دو محصول از نظر تخلخل، خلوص و اندازه صفحات گرافنی، توسط آنالیزهاي XRD ، SEM و طیفسنجیهاي FTIR و طیف جذبی UV-Vis مقایسه شد. نتایج نشان داد که گرافن تولید شده با مایکروویو داراي تخلخل بیشتر و گرافن تولید شده توسط لیزر اگزایمر داراي صفحات بزرگتر است.
مقدمه
گرافن به دلیل خواصی همچون رسانندگی بالا، سطح ویژه زیاد و تخلخلپذیري در ساخت ابزارهاي جدید ذخیره انرژي از جملهابرخازنها مورد توجه قرار گرفته است. انبساط حرارتی GO به دلیل راندمان بالا و درجه بالایی از لایه برداري یکیاز جذابترین رویکردهاست .[1] انبساطتوسط حرارتی میتواندگرماي مستقیم، امواج مایکروویو و یا لیزر انجام شود. لیزر هممیتواند توسط ایجاد گرما و بوسیله جذب مستقیمباعثفوتونیاحیاي گرافن شود.
تولید اکسید گرافن
روش هامر [2] اصلاح شده براي ساخت GO استفاده شد. 2/5 گرم پودر گرافیت با 57 میلیلیتر اسیدسولفوریک - H2SO4 - تغلیظشده و 1/5 گرم NaNO3 مخلوط شد و در درمدت 60 دقیقه
حمام یخ به هم خورد. سپس به آرامی 8 گرممدتKMnO4 دردو ساعت به آن اضافه شد، بعد از رسیدآنبه دماي 20 درجه .سپس در 35 درجه به مدت 2 ساعت، مخلوط از سبز به قهوهايتغییر رنگ داد. سپس 115 میلیلیتر آب دیونایز اضافه شد پس از30 دقیقه رنگ قهوهاي تیره، روشندمايترشد. سپس 30 دقیقه در93 درجه قرار گرفت و رنگ آن تقریبا زرد شد. سپس 200میلیلیتر آب دیونایز و 25 میلیلیتر H2O2 اضافه شد. مخلوطکاملاشکلزرد شد - . - 1احیا شده در این روش از حجم ماده احیا شده در روش مایکروویوکمتر است. شکل .2ج عکس SEM اکسید گرافن احیا شده باتابش مایکروویو را نشان میدهد. ساختار مچالهآشکاروموجدار شد که این تغییر شکل نتیجه دوبارهفرآیندهاي لایهلایه شدن وانباشته شدن بود. همچنین صفحات تولید شده ابعاددارايکوچکتري نسبت به صفحات اکستابشیدگرافن اولیه بودند.مایکروویو صفحات بزرگمقیاس اکسید گرافن را در سطح نیزبرش زده است.
تولید گرافن با استفاده از لیزر اگزایمر
لیزر اگزایمر با طول موج 308 نانومتر و رژیم پالسبری 10 پالس ثانیه و متوسط انرژي 200 میلی ژول در هر پالس برورقروينازك اکسید گرافن تابیده شد. ماده سرعاًی از رنگ قهوهاي به سیاه تغییر حالت داد و استحکام فیزیکی ورق اکسید گرافن اولیه سرعاًیاز بین رفت.
تولید گرافن با روش مایکروویو
در این روش مقداري اکسید گرافن درون ظرف حاوي گاز آرگون ریخته شد و در دو بازه زمانی 30 ثانیه درون مایکروویو با قدرت 900 وات قرار داده شد. اکسید گرافن به رنگ سیاه تغییر رنگ داد، و با افزایش حجم زیادي همراه بود.
تحلیل داده، نتایج و بحث
عکسهاي میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونهها در شکل 2نشان داده شده است. تصویر SEM، آرایش ساختار اکسید گرافن به خوبی لایهلایه شده را تایید میکند. تصویر SEM اکسیدهاي گرافن نشان میدهد که به طور متوسط اندازه ذرات حدود 30 نانومتر است - شکل .2الف - . شکل .2ب عکس SEM اکسیدگرافن احیا شده با تابش لیزر اگزایمرساختار را نشان میدهد.نمونه کمی مچاله و موجدار شده است و ورقههاي اکسید گرافنپس از احیاشدن روي هم افتادهاند و کمتر تفکیکولی شدهاندعکسها نشان میدهد که این صفحات همانند صفحات اکسیدگرافن اولیه هنوز داراي ابعاد بزرگی هستند، بنابراین حجم ماده
تحلیل FTIR
شکل 3 مقایسه تحلیل FTIR اکسید گرافن با اکسید گرافن احیا شده با لیزر اگزایمر و مایکروویو را نشان میدهد. در طیف FTIRقله نوارهاي جذب، C=O - کربونال - در 1725 cm-1، نوار C=Cدر 1630-1650 cm-1، C-O - کربونیل - در 1037 cm-1 و C-OH - کربوکسیل - در 1395- 1440 cm-1 نمایش دادهو شدهاند مولکولهاي آب در اکسید گرافن با یک قله پهن در 3420 cm-1وامتداد گروه O-H - هیدروکسیل - مولکولهاي آب با هم در اینمحدوده وجود دارند. این نشان میعاملیدهد که گروههاي اکسیژن با مولکولهاي کربن بعد از اکسید شدن پیوند دادهاند .[3]گروههاي عاملی حاوي اکسیژن هنوز در ترکیب اکسید گرافن احیاشده با لیزر اگزایمرشوندیده می . همچنین پس ازدناحیا ش اکسید گرافن با مایکروویو گروههاي عاملی حاوي اکسیژن کمیکاهش یافتهاند. طبق شکل 3 پیوندهاي جذب در 1725 cm-1 - C=O - تقریباً، از بین رفته است. همه این گروههاي عاملی موجوددر اکسید گرافن، آنها را آبدوست میکند در حالی که گرافیت وگرافن داراي طبیعت آبگریز هستند. بنابراین، طیفنمایی FTIRشواهد وجود انواع مختلف گروههاي عاملی اکسیژن در اکسیدگرافن را فراهم میکند.
آنالیز طیف جذب فرابنفش - UV-Vis -
گرافن در ناحیه 200-400nm - UV - مرئی،نسبت به ناحیهي نور - 400-650nm - ، فعالتر است. در اینجا بیشینه اکسید گرافن در طول موج 235 نانومتر است، که نشاندهنده گذارپیوندπ→π* ازC-C و یک شانه در ~300 نانومتر نشاندهنده گذار →π*ازn پیوند C=O است .[4] طیف جذب اکسید گرافن احیا شده با لیزراگزایمر نسبت به اکسید گرافن هیچگونه قلهاي ندارد. طول موج لیزر اگزایمر در محدوده 308 نانومتر به راحتجذبیمیتواند بامستقیم فوتون پیوندهاي اکسیژن را شکسته و نمونه را احیا کند. یعنی با نفوذ نور به لایههاي پایینتر حتی بدون اینکه گرما ایجادشود نیز احیا اتفاق خواهد افتاد. بعد از کاهش اکسید گرافن با مایکروویو یک قله ضعیف حدود 260 نانومتر در طیف جذب ظاهر شد. که مربوط به گذار π→π* از اینپیوند C-C است.نشان میدهد که گروههاي عاملی اکسیژندار روي سطح اکسید گرافن از بین رفتهاند و ساختار درهمآمیخته بازیابی شده است.
گرافن داراي انرژي گاف صفر است، انرژي گاف در گرافن باگروه هاي عاملی حاوي اکسیژن جذب شده روي سطحشودباز می.[5] براي محاسبه انرژي گاف صفحات گرافن و مقایسه جذب گروه هاي عاملی اکسیژن بین نمونه ها، از طیف جذب فرابنفشاستفاده میشود. براي تخمین گاف نواري مستقیم صفحات گرافن از رابطه 1 استفاده شد. در شکل 5 منحنی - αhν - 2 بر حسب hν رسم شد و با رسم خط مماس از ناحیه خطی و محل تقاطع آن با محور افقی؛ گاف نواري صفحات گرافنشدیتخمین زده .α ضریب جذب است و با استفاده از طیف جذب از نمونه محاسبه میشود. مقدار تناسب خاصیت جذب نمونه است. همچنین hv نیز انرژي فوتون و Eg انرژي گاف است. گاف نواري اکسید گراف4/4 eV، اکسید گرافن احیا شده با اکسیدمایکروویو 3 eV وگرافن احیا شده با لیزر اگزایمر 1/25 eV به دست آمد. این نتایج نشان میدهد که گروههاي عاملی حاوي اکسیژن موجب باز شدنگاف نواري در گرافن شدهاند. اکسید گرافن بیشترینهايگروهعاملی اکسیژن را دارد، بنابراین گاف انرژياست آن بزرگترین .با عملیات احیا کردن، گروه هاي عاملی روي سطح گرافن حذف میشوند، و انرژي گاف کاهش مییابد. احیا با روش لیزر اگزایمرعملکرد بهتري را در حذف گروههاي اکسیژنی داشت، زیرا دارايگاف کوچکاستتري .
