Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование свойств оксид-графеновой бумаги, полученной из водной суспензии оксида графена

Г.Н. Александров, А.Н. Капитонов

Вслед за изучением свойств графена, начались широкие исследования свойств модифицированного графена, в том числе оксида графена (ОГ). Были установлены антибактериальные свойства суспензии и бумаги из оксида графена. В работе [1, с.4319] представлены результаты подавления жизнеспособности кишечной палочки (E. coli) под воздействием суспензии ОГ на 98,5% и нарушения целостности мембран клеток кишечной палочки на поверхности оксид-графеновой бумаги [1, с.4321].

Исследования российских и американских ученых показали, что суспензия ОГ эффективно очищает воду от радионуклидов [2]. Поэтому, дальнейшие исследования свойств бумаги из оксида графена и суспензий оксида графена являются актуальной задачей для современной науки.

В оксиде графена атомы углерода могут быть связаны с гидроксигруппами или с эпоксидными мостиками, а края плоскости модифицированы карбоксильными и карбонильными группами (рис.1) [3]. Благодаря гидрофильным свойствам ОГ легко образует в воде устойчивые коллоидные растворы с концентрацией до 14 мг•мл^-1, что наблюдалось еще в работах 60-х гг. XX в. [4, 5] и было более подробно изучено позднее в связи с возросшим интересом к данному материалу как к предшественнику графена [6-9].

Рис. 1. Структурная модель оксида графена

Целью данной работы было получение суспензии оксида графена и исследование оптических свойств бумаги, полученной из суспензии оксида графена на поверхности подложек из покровного стекла и кремниевой пластины с окисным слоем.

Порошок графита подвергали окислению модифицированным методом Хаммерса [10] с некоторыми изменениями. Полученную кислую пробу промывали дистиллированной водой под вакуумом с использованием фильтра обеззоленного (желтая лента) диаметром 70 мм до нейтральной среды. Продолжительность фильтрования составляла 2-3 суток.

Влажный материал с нейтральным pH среды отбирался с поверхности фильтровальной бумаги стеклянной лопаточкой, дополнительно разбавлялся дистиллированной водой. После этого производилось разделение компонентов пробы центрифугированием при скорости вращения 7000 об/мин в течение 30 минут. Использовалась центрифуга-вортекс ELMI CM-70M.07.

При центрифугировании происходило разделение пробы на суспензию оксида графена (ОГ) в воде и нерасщепленный в результате интеркалирования графит. Полученная суспензия состояла из нижней темной и верхней светлой частей с желтовато-коричневым цветом (рис. 2).

а б

Рис. 2. Разделенные темная (а) и светлая (б) части суспензии ОГ после центрифугирования

Темная часть суспензии через несколько суток начинала все более темнеть, видимо, в результате структурирования чешуек ОГ, затем густела и превращалась в студенистую массу.

При хранении студенистой массы в открытом сосуде она высыхала и превращалась в черно-коричневое твердое тело (рис.3), многократно уменьшаясь в объеме.

а б

Рис. 3. Структурировавшаяся суспензия ОГ: а - студенистая масса, б - высохшая масса

Из светлой части автоматической пипеткой Proline BIOHIT отбирали суспензию ОГ и "садили" на подложки из покровного стекла (рис. 4).

Рамановские спектры бумаги из оксида графена получали на установке "Нанолаборатория NTEGRA Spectra, Монохроматор/спектрограф MS 5004i SOLAR TII" при длине волны возбуждающего лазера 532 нм (2,33 эВ).

а б

Рис. 4. Участок пленки ОГ на покровном стекле (а) и Рамановский спектр (б) в этом месте.

Появление пика 2D (рис.4б) объясняется наличием в графеновой плоскости трех ковалентных связей sp² каждого атома углерода с тремя соседними углеродными атомами. В ОГ у некоторых атомов углерода появляется четвертая ковалентная связь с атомом кислорода в результате перехода атома углерода из состояния sp² - в состояние sp³-гибридизации. Образование участков с состоянием sp³-гибридизации вносит вклад в разупорядочение кристаллической решетки идеального графена, что отражается в появлении пика D.

Кроме пиков D и 2D в спектре присутствуют также пики G, D+G [11, c.91]. В согласии с литературными данными пик 2D имеет небольшую интенсивность и большую ширину в отличие от монослоя неокисленного графена [12].

На рис. 5а приведен участок пленки оксида графена на подложке из кремниевой пластины с окисным слоем. Рамановские спектры, полученные в двух точках на этом участке пленки, приведены на рис. 5б.

оксид графеновая бумага графен

а б

Рис. 5. Участок пленки ОГ на пластине кремния с окисным слоем (а), спектры Рамана, полученные в точках 1 и 2 этого участка пленки (б).

Спектры в точках 1 и 2 различаются в области пиков 2D и D+G. Уменьшение интенсивности в области данных пиков в точке 1, видимо, частично, объясняется увеличением толщины пленки оксида графена.

а б

Рис. 6. АСМ-изображение пленки оксида графена (а), профиль высоты (б), полученный вдоль линии, представленной в (а).

На рис. 6 представлены результаты АСМ-измерений на установке "Нанолаборатория NTEGRA Spectra". Данные АСМ показывают, что толщина пленки ОГ составляет около 70-80 нм (рис. 6б). Из профиля на рис. 6б видно, что на краю пленки ОГ образуется утолщение высотой до 200 нм, что можно объяснить особенностью нанесения суспензии на поверхность пластины кремния с окисным слоем, вязкостью суспензии и чистотой поверхности пластины кремния.

В заключении можно сказать, что разработана технология получения суспензии ОГ при некоторых изменениях модифицированного метода Хаммерса. Раман-спектры оксид-графеновой бумаги на подложках из покровного стекла и кремниевой пластины с окисным слоем выглядят одинаково. Формирование оксид-графеновой бумаги из водной суспензии на подложке приводит к образованию утолщений по периметру бумаги.

Список использованной литературы

1. Wenbing Hu, Cheng Peng, Weijie Luo, Min Lv, Xiaoming Li, Di Li, Qing Huang, and Chunhai Fan. ACSNANO, 4, 4317-4323, (2010)

2. Anna Yu. Romanchuk, Alexander S. Slesarev, Stepan N. Kalmykov, Dmitry V. Kosynkin and James M. Tour. Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 2321-2327, (2013)

3. D.R. Dreyer, S. Park, W. Bielawski, R.S. Ruoff. Chem. Soc. Rev., 39, 228 (2010)

4. H.P. Boehm, A. Clauss, G.O. Fischer, U. Hofmann. In Proceedings of the 5th Conference on Carbon. Pergamon Press, Oxford, P.73, (1962)

5. H.P. Boehm, A. Clauss, G.O. Fischer, U. Hofmann. Z. Naturforsch. B, 17, 150 (1962)

6. S. Park, R.S. Ruoff. Nat. Nanotechnol, 4, 217 (2009)

7. S. Stankovich, R.D. Piner, X. Chen, N. Wu, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff. J. Mater. Chem., 16, 155 (2006)

8. D.R. Dreyer, S. Park, W. Bielawski, R.S. Ruoff. Chem. Soc. Rev., 39, 228 (2010)

9. G.I. Titelman, V. Gelman, S. Bron, R.L. Khalfin, Y. Cohen, H. Bianco-Peled. Carbon, 43, 641 (2005)

10. W.S. Hummers Jr., R.E. Offeman J. Am. Chem. Soc., 80, 1339 (1958)

11. О.А. Маслова, А.С. Михейкин, И.Н. Леонтьев, Ю.И. Юзюк, А.Г. Ткачев. Российские нанотехнологии, 5, № 9-10, 89-93, (2010)

12. С.В. Ткачев. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. М. (2012)

Размещено на Allbest.ru