Свойства суспензий малослойных графеновых частиц, полученных прямой эксфолиацией природного графита в многоатомных спиртах

Егор Андреевич  Данилов; Владимир Маркович  Самойлов; Тимофей Сергеевич  Калякин; Александра Борисовна  Шахназарова; Анастасия Васильевна  Находнова

doi:10.17308/sorpchrom.2022.22/10591

Егор Андреевич Данилов Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия
Владимир Маркович Самойлов Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва
Тимофей Сергеевич Калякин Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
Александра Борисовна Шахназарова Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия
Анастасия Васильевна Находнова Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10591

Ключевые слова: графен, эксфолиация, проводящие суспензии, коллоидные системы, электропроводность, рамановская спектроскопия, ультразвук

Аннотация

В работе приведены результаты исследования процесса жидкофазной эксфолиации природного графита под действием ультразвука в органических средах (N-метил-2-пирролидон, этиленгликоль, диэтиленгликоль) с целью получения коллоидных препаратов малослойных графенов. Оценивалось влияние времени обработки (в пределах до 7 часов) и концентрации частиц (от 0.2 до
20 мг/см³); проведено сравнение с ранее полученными данными для эксфолиации в водной среде (в т.ч. в присутствии ПАВ).

Получены зависимости латеральных размеров частиц от времени обработки и показано, что использование этиленгликоля при наименьших энергозатратах приводит к минимальным размерам частиц с наиболее высокой скоростью их изменения. Оценены удельные энергозатраты процесса и проведено их сравнение с традиционными способами измельчения.

Исследованы зависимости удельной электропроводности от концентрации графита в исходной суспензии, природы дисперсионной среды и времени обработки; полученные зависимости проанализированы с точки зрения современных теоретических представлений. Показана возможность получения суспензий с удельной электропроводностью более 100 мкСм/см. Исследованы температурные зависимости вязкости суспензий. Показана их пригодность для изготовления проводящих чернил. Вязкость суспензий в диапазоне температур от 20 до 90°С изменялась в пределах 2-20 мПа·с и была близка к вязкости чистого растворителя. Исследовано влияние центрифугирования с получением прозрачных фугатов на распределение частиц по размерам и структуру графеновых частиц. Среднее количество слоёв графена в частицах определялось методом рамановской спектроскопии до и после центрифугирования и составляла 2-3 слоя. Обнаружен ранее не отмеченный эффект снижения дефектности частиц малослойных графенов при повышении концентрации графита в исходной суспензии.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Егор Андреевич Данилов, Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия

начальник лаборатории синтеза и исследования новых материалов, АО «НИИграфит», Москва, Россия

Владимир Маркович Самойлов, Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва

д.т.н., главный научный сотрудник, АО «НИИграфит», Москва, Россия

Тимофей Сергеевич Калякин, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва

стажер-исследователь, АО «НИИграфит»; бакалавр кафедры химической технологии углеродных материалов и природных энергоносителей, Российский химико-технологический университет им Д.И. Менделеева, Москва, Россия

Александра Борисовна Шахназарова, Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия

младший научный сотрудник, АО «НИИграфит», Москва, Россия

Анастасия Васильевна Находнова, Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит», Москва, Россия

к.т.н., старший научный сотрудник, АО «НИИграфит», Москва, Россия

Литература

Xu Y., Cao H., Xue Y., Li B., Cai W. Liquid-phase exfoliation of graphene: an overview on exfoliation media, techniques, and challenges. Nanomaterials. 2018; 8(11): 942. https://doi.org/10.3390/nano8110942

Jayaramulu K., Horn M., Schnee-mann A., Saini H., Bakandritsos A., Ranc V., Fischer R.A. Covalent graphene‐mof hybrids for high‐performance asymmetric supercapacitors. Advanced materials. 2020; 33(4): 2004560. https://doi.org/10.1002/adma.202004560

Wang Z., Shaygan M., Otto M., Schall D., Neumaier D. Flexible Hall sen-sors based on graphene. Nanoscale. 2016; 8(14): 7683-7687. https://doi.org/10.1039/C5NR08729E

Peña-Bahamonde J., Nguyen H.N., Fanourakis S.K., Rodrigues D.F. Recent advances in graphene-based biosensor technology with applications in life sciences. Journal of nanobiotechnology. 2018; 16(75): 17. https://doi.org/10.1186/s12951-018-0400-z

Franco M., Correia V., Marques P., Sousa F., Silva R., Figueiredo B.R., Bernardes A., Silva A.P., Lanceros‐Mendez S., Costa P. Environmentally friendly graphene‐based conductive inks for multi-touch capacitive sensing surfaces. Ad-vanced materials interfaces. 2011; 8(18): 2100578. https://doi.org/10.1002/admi.202100578

Htwe Y.Z.N., Mariatti M. Printed graphene and hybrid conductive inks for flexible, stretchable, and wearable elec-tronics: Progress, opportunities, and challenges. Journal of science: advanced mate-rials and devices. 2022; 7(2): 100435. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2022.100435

Shahil K.M.F., Balandin A.A. Graphene-multilayer graphene nanocomposites as highly efficient thermal interface mate-rials. Nano letters. 2012; 12(2): 861-867. https://doi.org/10.1021/nl203906r

Novoselov K.S., Fal’Ko V.I., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K. A roadmap for graphene. Nature. 2012; 490(7419): 192-200. https://doi.org/10.1038/nature11458

Yi M., Shen Z. A review on mechanical exfoliation for the scalable pro-duction of graphene. Journal of material chemistry A. 2015; 3(22): 11700-11715. https://doi.org/10.1039/C5TA00252D

Samoilov V.M., Nikolaeva A.V., Danilov E.A., Erpuleva G.A., Trofimova N.N., Abramchuk S.S., Ponkratov K.V. Preparation of aqueous graphene suspensions by ultrasonication in the presence of a fluorine-containing surfactant. Inorganic materials. 2015; 51(2): 98-105. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.11.051

Guardia L., Fernández-Merino M.J., Paredes J.I., Solís-Fernández P., Villar-Rodil S., Martínez-Alonso A., Tascón J.M.D. High-throughput production of pristine graphene in an aqueous dispersion assisted by non-ionic surfactants. Carbon. 2011; 49(5): 1653-1662. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.12.049

Buzaglo M., Shtein M., Kober S., Lovrinčić R., Vilan A., Regev .O. Critical parameters in exfoliating graphite into graphene. Physical chemistry chemical phys-ics. 2013; 15(12): 4428-4435. https://doi.org/10.1039/C3CP43205J

Hernandez Y., Nicolosi V., Lotya M., Blighe F. M., Sun Z., De S., Coleman J. N. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nature nanotechnology. 2008; 3(9): 563-568. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.215

Sun X., Sun H., Li H., Peng H. Developing polymer composite materials: carbon nanotubes or graphene. Advanced materials. 2013; 25:5153-5176. https://doi.org/10.1002/adma.201301926

Haar S., El Gemayel M., Shin Y., Melinte G., Squillaci M.A., Ersen O., CasiraghiC., Ciesielski A., Paolo Samorì P. Enhancing the liquid-phase exfoliation of graphene in organic solvents upon addition of n-octylbenzene. Scientific reports. 2015; 5(1): 1-9. https://doi.org/10.1038%2Fsrep16684

Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "surface tension". Encyclopedia Britannica, 1 Jun. 2020, https://www.britannica.com/science/surfacetension. Accessed 29 April 2022

Azizian S., Hemmati M. Surface tension of binary mixtures of ethanol+ethylene glycol from 20 to 50 C. Jour-nal of chemical & engineering data. 2003; 48(3): pp. 662-663. https://doi.org/10.1021/je025639s

Li L., Zhang J., Li Q., Guo B., Zhao T., Sha, F. Density, viscosity, surface ten-sion, and spectroscopic properties for bina-ry system of 1, 2-ethanediamine+ diethylene glycol. Thermochimica acta. 2014; 590: 91-99. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.05.034

Nikolaeva A.V., Samoilov V.M., Danilov E.A., Mayakova D.V., Trofimova N.N., Abramchuk S.S. Effektivnost' primeneniya poverkhnostno-aktivnykh veshchestv i organicheskikh dobavok pri poluchenii vodnykh suspenzii grafena iz prirodnogo grafita pod vozdeistviem ul'trazvuka. Perspektivnye materialy. 2015; 51(2): 44-56.

Ershov Y.A., Akopyan V.B., Shchukin S.I. Ultrasound in medicine, veterinary medicine and biology : a textbook for universities. 3rd ed. М.: Urait. 2020. 224 p.

Samoilov V.M., Streletskii A.N. Vliyanie sverkhtonkogo izmel'cheniya na kristallicheskuyu strukturu i grafitiruemost' uglerodnykh napolnitelei. Khimiya tverdogo topliva. 2004; 2: 53-59. (In Russ.)

Voyutsky S.S. Course of colloidal chemistry. М. Chemistry. 1964. 574 с.

Kazemi F., Mohammadpour Z., Naghib S.M., Zare Y., Rhee K.E. Percolation onset and electrical conductivity for a multiphase system containing carbon nano-tubes and nanoclay. Journal of Materials Research and Technology. 2021; 15: 1777-1788. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.08.131

Kyrylyuk A.V., van der Schoot P. Continuum percolation of carbon nanotubes in polymeric and colloidal media. Proceedings of the national academy of sciences. 2008; 105: 24: pp. 8221-8226. https://doi.org/10.1073/pnas.0806423105

McLachlan D. S. Equations for the conductivity of macroscopic mixtures. Journal of Physics C: Solid State Physics. 1986; 19(9); pp. 1339. DOI:10.1088/0022-3719/19/9/007

Samoilov V.M., Danilov E.A., Nikolaeva A.V., Ponomareva D.V. Electrical conductivity of a carbon reinforced alumi-na resistive composite material based on synthetic graphite and graphene. Inorganic Materials. 2018; 54(6): 601-609. https://doi.org/10.1134/S0020168518060110

Green A. A., Hersam M. C. Emerg-ing methods for producing monodisperse graphene dispersions. The journal of physi-cal chemistry letters. 2010; 1(2): 544-549. https://doi.org/10.1021/jz900235f

Danilov E.A., Samoilov V.M., Dmitrieva V.S., Nikolaeva A.V., Ponomareva D.V. Manufacturing transparent conducting films based on directly exfoliated graphene particles via Langmuir-blodgett technique. Inorganic materials: applied research. 2018; 9(5); 794-802. https://doi.org/10.1134/S2075113318050064

Lee T.R. Quantitative correlation between interlayer distance and shear rate in liquid-based exfoliation of graphene lay-ers. Carbon. 2018; 129: 661-666.

Fernandes I.J., Aroche A.F., Schuck A. Lamberty P., Peter C.L., Hasenkamp W., Rocha T.L.A.C. Silver nanoparticle con-ductive inks: Synthesis, characterization, and fabrication of inkjet-printed flexible electrodes. Scientific reports. 2020; 10(1): 1-11. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65698-3