بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، نانوذرات کریستالی مغناطیسی Gr/Ni با روش سایش الکتروشیمیایی ورقه گرافیت در یک محلول یونی، طی یک مرحله تولید شده است. از محلول نیکل کلراید در سه غلظت مختلف به عنوان محیط الکترولیت استفاده شده است. با این روش ما توانستیم نانوذرات مغناطیسی نیکل را به راحتی روی صفحات گرافن لایهنشانی کنیم. فازهای تشکیل شده با استفاده از تحلیل XRD مورد مطالعه قرار گرفته است. نوع پیوندها و ساختار شیمیایی نمونهها با کمک تحلیل FTIR مشخصهیابی شدند. تغییرات رامان نمونههای مغناطیسی نسبت به ورقه گرافیت، حاکی از کاهش تعداد لایههای صفحات گرافن میباشد. خواص مغناطیسی نمونهها نیز با تحلیل VSM بررسی شده است.
مقدمه
در سالهای اخیر مواد دوبعدی با ضخامتی در مقیاس نانو و طول نامحدود در صفحه، توجه بسیاری از محققان را در بسیاری از زمینههای مختلف ترکیب مواد، الکترونیک و ساخت قطعات ذخیره انرژی مانند ابرخازنها به خود جلب کرده است .1-3 از سوی دیگر به کار بردن این مواد در سیستمهای میکرو و نانو مکانیکی، ترانزیستورهای لایه نازک، ترکیبات رسانا، الکترودها و فوتونیک به دلیل وجود خواص اپتیکی و مکانیکی جالب توجهی که دارند بسیار ایدهآل به نظر میرسند .4-6 به عنوان مثال ابرخازنها یکی از مهمترین قطعات ذخیره انرژی در چند دهه اخیر به حساب میآیند. این قطعات به دلیل چگالی بالا، چرخه عمر طولانی، پایداری عالی و توانایی سریع دشارژ شدن کاربردهای اساسی در زندگی روزمره به خود اختصاص دادهاند .
از بین مواد دوبعدی گوناگون، گرافن به دلیل داشتن ویژگیهای عالی مکانیکی، الکتریکی، دمایی، اپتیکی، مساحت سطحی بسیار بالا، غیر متراکم بودن و ... توجه بسیاری از دانشمندان جهان را برای استفاده در تحقیقات بنیادی و برنامههای کاربردی به خود جلب کرده است 5و.6 گرافن یک تک لایه از اتم-های کربن میباشد که در یک شبکه شش ضلعی به شکل هیبرید sp2 کربن مرتب شدهاند 2و.6 ترکیب این ماده با فلزات میتواند خواص ذاتی گرافن را افزایش دهد9و.10 همچنین مونتاژ یک ماده ناهمسانگرد مغناطیسی مهم مانند نانوکریستالهای نیکل روی سطح موادی بر پایه گرافن منجر به افزایش خواص مغناطیسی، افزایش فعالیت کاتالیستی و پایداری نانوذرات فلزی شده است 11و.12 روشهای مختلف مانند هامر ، رشد همبافته و لایهنشانی بخار شیمیایی به دلیل زمان طولانی انجام واکنش، هزینه بالا، پیچیدگی فرآیند و بازدهی پایین روشهای مناسبی برای تولید گرافن نمیباشند .
این در حالی است که در چند سال اخیر روش سایش الکتروشیمیایی گرافیت به دلیل زیست پذیری، سهولت، سرعت و کیفیت بالا توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. در این کار ما توانستیم با کمک روش سایش الکتروشیمیایی ورقه گرافیت در غلظتهای مختلف محلول NiCl2 به عنوان الکترولیت، طی یک مرحله صفحات نانوکریستالی از جنس نیکل را روی نانوصفحات گرافن لایهنشانی کنیم. این نمونهها به کمک آنالیزهای الگوی پراش پرتو ایکس - XRD - - دستگاه STOE- - STADI، طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز - FTIR - - دستگاه - Bruker Tensor 27، طیفسنجی رامان - دستگاه RM - N1-541 teksan و VSM مشخصهیابی شدهاند.
روش آزمایش
برای ساخت نانوصفحات کریستالی Gr/Ni به روش الکتروشیمیایی در محلول یونی، از یک ورقه گرافیت با ابعاد cm 10×2 به عنوان کاتد و یک ورقه پلاتین با ابعاد 10× 0/5 cm به عنوان آند که در فاصله 2/7 cm از هم قرار گرفتهاند استفاده شده است. با اعمال ولتاژ 10 V به الکترودها انرژی لازم جهت انبساط و متورق شدن ورقه گرافیت تامین می شود. این فرآیند در سه غلظت مختلف 0/1 M، 0/75 و 0/05 از محلول NiCl2 بررسی شده است و به مدت سه ساعت ادامه مییابد. برای جلوگیری از انباشتگی بیش از حد ترکیب نیکل گرافن روی الکترود پلاتین، هر 20 دقیقه یکبار آزمایش متوقف و سطح پلاتین با اسید HCl و آب دیونیزه شستوشو داده شده است. در پایان زمان انجام آزمایش به منظور حذف نمکهای اضافه، محصول نهایی که به صورت پودر ته ظرف تهنشین شده است با آب شستوشو داده شده و در دمای 200 ⁰C خشک شده است.
نتایج و بحث
به منظور مشخصهیابی ساختار بلوری و فازهای کریستالی تشکیل شده، از ورقه گرافیت اولیه و نمونههای ساخته شده الگوی پراش پرتو ایکس گرفته شده است - شکل . - 1 طبق این الگو ساختار کریستالی مکعبی ساده مربوط به فاز نیکل فلزی در نمونهای با کمترین غلظت محلول نیکل کلراید، به خوبی قابل مشاهده است. این درحالی است که با افزایش میزان این غلظت از شدت این پیک کم شده و در نمونهی 0/1 M به کلی ناپدید میشود. ساختار کریستالی شش ضلعی مربوط به تشکیل فاز Ni - OH - 2 نیز در تمامی نمونهها مشاهده میشود.
شدت این پیک با افزایش غلظت محلول کمتر شده و پهنتر میشود که احتمالا به دلیل کاهش اندازه کریستالهای تشکیل شده میباشد .8 طبق الگوی پراش گرفته شده از ورقه گرافیت اولیه، پیک مربوط به فاز گرافیت با موقعیت 2 = 26/ 3 با فاصله بین صفحات 3/38 Å دیده میشود. این پیک در نمونههای Gr/Ni نیز وجود دارد با این تفاوت که فاصله بین صفحات مقداری کمتر شده - 3/35 Å - و موقعیت آن به سمت زاویههای بیشترجابهجا میشود . - 2 = 26/ 7 - این رفتار در گزارشهای قبلی تولید گرافن نیز دیده شده است .7 به منظور تعیین ساختار، اندازهگیری گونههای شیمیایی و تشخیص نوع پیوندهای تشکیل شده در نمونهها از طیفسنجی تبدیل فوریه مادون قرمز استفاده شده است که در شکل 2 قابل مشاهده میباشد.
طبق این منحنی پیکهای جذب در موقعیتهای 3770 cm-1، 1633 و 1375به ترتیب مربوط به باندهای ارتعاشاتی O-H، C=O و C-H میباشند. از طرف دیگر ارتعاشات کششی C=C - هیبرید - sp2 در عدد موج 1550 cm-1 مشاهده شده است که نشاندهنده وجود گرافن در نمونهها میباشد. نکات مهمی که هنگام مقایسه طیف گرافیت با طیف سایر نمونهها قابل توجه است، ناپدید شدن پیک جذب مربوط به ارتعاشات کششی C-O-C با عدد موج 1053 cm-1 بعد از انجام فرآیند لایهنشانی و جابهجایی پیکهای جذب نمونههای مغناطیسی به سمت عدد موجهای بیشتر در مقایسه با طیف گرافیت میباشد که ناشی از حضور نانوذرات کریستالی نیکل روی صفحات گرافن بوده است.
.14 یک پیک قوی در 3449 cm-1 مشاهده شده است که به دلیل وجود گروههای کربوکسیلیک میباشد. باندهای 2925 cm-1 و 2852 به ترتیب مربوط به ارتعاشات متقارن و نامتقارن C-H میباشند. پیک جذب ارتعاشات اکسید نیکل و هیدروکسیل نیکل در موقعیت 537 cm-1 و 453 قرار گرفته است 14 که با نتایج حاصل از XRD مطابقت دارد. به منظور مشخصهیابی گرافن و مواد وابسته به آن از طیفسنجی رامان استفاده شده است. در شکل 3 میتوان طیف رامان ورقه گرافیت اولیه و دو نمونه مغناطیسی 0/05 M و 0/1 را مشاهده کرد. طبق این شکل سه پیک بسیار مهم در هر یک از
طیفها دیده میشود.
باند G با موقعیت 1583 cm-1 و باند 2D با موقعیت 2705 cm-1 ظاهر شده است. پیک G مربوط به ارتعاش پیوندهای sp2 اتمهای کربن در شبکه شش ضلعی میباشد و میزان نظم را نشان میدهد در حالی که باند 2D نتیجه فرایند ارتعاشی دو فونون شبکه است که در گرافن همیشه یک باند قوی است. باند D نیز زمانی ظاهر میشود که گرافن دارای لبه باشد یا در شبکه کربن نقصی وجود داشته باشد .5 موقعیت این پیک برای نمونههای ما حدودا 1358 cm-1 بوده است و شدت آن در مقایسه با دو پیک دیگر کمتر میباشد که نشاندهنده نقص کمتر است.
نسبت شدت پیک D به شدت پیک G برابر با ID/IG است که به عنوان یک پارامتر کیفیت شناخته می شود. این نسبت برای فویل گرافیت و دو نمونه 0/05 M و 0/1 به ترتیب برابر با 0/58، 0/94 و 0/91 است. افزایش این نسبت برای دو نمونه مغناطیسی نسبت به ورقه گرافیت به دلیل وجود پیوند بین اتمهایی از جنس نیکل با صفحات گرافن میباشد .8 پیک 2D در مواد گرافیتی به شدت به تعداد لایههای موجود در نمونه حساس می باشد.
نسبت شدت این پیک به شدت پیک G برابر با I2D/IG است که برای فویل گرافیت و دو نمونه M 0/05 و 0/1 به ترتیب برابر با 0/75، 0/97 و 0/95 میباشد. افزایش این نسبت برای دو نمونه مغناطیسی نسبت به ورقه گرافیت نشان دهنده کاهش تعداد لایهها در نمونههای مغناطیسی نسبت به ورقه گرافیت اولیه میباشد .15 برای بررسی خواص مغناطیسی نانوصفحات کریستالی مغناطیسی Gr/Ni از نمونهها در دمای اتاق و در حضور میدان اعمالی 10 kOe تحلیل VSM گرفته شده است. شکل 4 منحنیهای پسماند دو نمونه 0/1 M و 0/05 را نشان میدهد. مقادیر Ms برای غلظتهای 0/1 M و 0/05 به ترتیب برابر با 0/2 emu/g و 0/55 است.
