Efectos de los parámetros de sonicación de la punta sobre la exfoliación en fase líquida de grafito en nanoplaquetas de grafeno

Concentraciones de dispersiones de GNP producidas al exfoliar (a1) G10, (b1) G30 y (c1) G100 utilizando diferentes poderes y tiempos de sonicación. La concentración de dispersiones de GNP producidas al exfoliar (a2) G10, (b2) G30 y (c2) G100 en función de la entrada de energía de sonicación

Para evaluar la influencia de la potencia y el tiempo de sonicación de la punta sobre la concentración de las dispersiones de GNP, la relación entre la entrada de energía, es decir, E , (tiempo de sonicación multiplicado por potencia de sonicación) y se determinó la concentración de las dispersiones de GNP. La Figura 2 (a2), (b2) y (c2) revela que la relación entre la concentración de las dispersiones del PNB y la entrada de energía se puede describir mediante \ ({C} _g ={aE} ^ {\ raisebox {1ex} { $ 1 $} \! \ Left / \! \ Raisebox {-1ex} {$ 2 $} \ right.} \), Donde C _g es la concentración de la dispersión del PNB, y a es un parámetro que se determina ajustando los datos experimentales. El a Los valores para las dispersiones de GNP obtenidas exfoliando G10, G30 y G100 son 1.612 × 10 ^{- 4} , 4,175 × 10 ^{- 4} y 1.061 × 10 ^{- 4} mg / (ml · kJ ^½ ), respectivamente. Estos resultados demostraron que con el aumento de la entrada de energía, la concentración de la dispersión del GNP aumentó rápidamente al principio y luego lentamente, lo que concuerda bien con los hallazgos anteriores de Coleman [23] y Bracamonte [37] sobre la exfoliación del grafito en GNP mediante sonicación en baño. .

Tamaño de los GNP producidos utilizando varios tiempos y poderes de sonicación

La Figura 3 muestra el tamaño de los GNP producidos al exfoliar muestras de grafito en escamas G10, G30 y G100 utilizando varios tiempos y poderes de sonicación de la punta. La Figura 3 (a1), (b1) y (c1) muestra el tamaño medio de los PNB producidos al exfoliar G10, G30 y G100 utilizando diferentes potencias y tiempos de sonicación de la punta. El tamaño medio de los PNB se determinó analizando alrededor de 100 PNB de cada muestra. Los resultados indicaron que con el aumento de la potencia y el tiempo de sonicación, el tamaño de los PNB producidos disminuyó ligeramente. Independientemente del tamaño inicial del grafito en escamas, el tamaño de los PNB producidos utilizando varios tiempos y potencias de sonicación de la punta varió de ~ 1 a ~ 3 μm. Debido a que G100 no se exfolió con potencias de sonicación de 60 y 100 W, la figura 3 (c1) solo muestra el tamaño de los GNP exfoliados con potencias de sonicación de 200 y 300 W.

Tamaño medio de los PNB producidos usando diferentes potencias y tiempos de sonicación para exfoliar muestras de grafito en escamas (a1) G10, (b1) G30 y (c1) G100. Imágenes SEM de las muestras de grafito en copos (a2) G10, (b2) G30 y (c2) G100. Imágenes SEM de los GNP producidas al exfoliar G10 a una potencia de sonicación de 300 W durante (a3) ​​60 min, (a4) 120 min y (a5) 180 min. Imágenes SEM de los GNP producidas al exfoliar G30 a una potencia de sonicación de 300 W durante (b3) 60 min, (b4) 120 min y (b5) 180 min. Imágenes SEM de los GNP producidos al exfoliar G100 a una potencia de sonicación de 300 W durante (c3) 60 min, (c4) 120 min y (c5) 180 min

Para ilustrar la influencia de la sonicación en el tamaño de los PNB producidos, las imágenes SEM de estas tres muestras de grafito y los PNB obtenidos por exfoliación a una potencia de sonicación de 300 W durante diferentes períodos se proporcionan en la Fig. 3. Las imágenes SEM de los PNB exfoliados en un La potencia de sonicación de la punta de 60, 100 y 200 W durante 60, 120 y 180 min se muestra en el archivo adicional 1. Específicamente, la Fig. 3 (a2), (b2) y (c2) muestra los tamaños iniciales de la escamas de grafito, es decir, G10, G30 y G100, respectivamente. Las imágenes indican que G10, G30 y G100 tenían muchas capas de espesor y tamaños de aproximadamente 10, 30 y 100 μm, respectivamente. La Figura 3 (a3), (a4) y (a5) representa imágenes SEM de GNP producidas exfoliando G10 en mezclas de etanol-agua a una potencia de sonicación en la punta de 300 W durante 60, 120 y 180 min, respectivamente. Se puede encontrar que cuando el tiempo de sonicación fue de 60 min, los PNB producidos fueron un poco más espesos que los obtenidos por sonicación durante 120 o 180 min; los dos últimos tiempos de sonicación dieron PNB de casi el mismo espesor. La Figura 3 (b3), (b4) y (b5) muestran imágenes SEM de GNP producidas exfoliando G30 a una potencia de sonicación en la punta de 300 W durante 60, 120 y 180 min, respectivamente. Mientras tanto, la Fig. 3 (c3), (c4) y (c5) muestra imágenes SEM de GNP producidas exfoliando G100 a una potencia de sonicación en la punta de 300 W durante 60, 120 y 180 min, respectivamente. Todos estos resultados indicaron que con el aumento de la potencia y el tiempo de sonicación, el grosor de los PNB producidos disminuyó.

En general, los resultados demostraron que con el aumento de la potencia y el tiempo de sonicación, el tamaño de los PNB producidos disminuyó ligeramente. Sin embargo, independientemente del tamaño inicial del grafito en escamas, los PNB producidos usando varios tiempos y potencias de sonicación de la punta variaron de ~ 1 a ~ 3 μm de tamaño.

Densidad de defectos de los GNP producidos utilizando varios tiempos y poderes de sonicación

La densidad de defectos de los GNP producidos utilizando varios poderes y tiempos de sonicación se determinó mediante espectroscopía Raman. Generalmente, la relación de intensidad de la D banda a 1350 cm ^{- 1} a la del G banda a 1580 cm ^{- 1} ( Yo _D / Yo _G ) se utiliza para caracterizar la densidad de defectos de los PNB [33]. Un I más pequeño _D / Yo _G El valor indica una menor densidad de defectos de los PNB. El yo _D / Yo _G Los valores de los PNB exfoliados usando diferentes potencias y tiempos de sonicación se muestran como histogramas en la Fig. 4 (a1), (b1) y (c1). Además, los espectros Raman típicos de las escamas de grafito iniciales y los PNB exfoliados a potencias de 60, 100, 200 o 300 W durante 60, 120 o 180 min se presentan en el archivo adicional 1. El I _D / Yo _G los valores de los PNB aumentaron ligeramente al aumentar el tiempo y la potencia de la sonicación de la punta. Sin embargo, el yo _D / Yo _G Los valores de los PNB producidos utilizando las distintas potencias y tiempos de sonicación de la punta oscilaron entre ~ 0,1 y ~ 0,3, lo que indica que todos los PNB producidos tenían una baja densidad de defectos, es decir, eran de alta calidad. Además, archivo adicional 1:las figuras S5, S6 y S7 ilustran que con el aumento de la potencia y el tiempo de sonicación, el G Las bandas de los PNB se hicieron más amplias, lo que significaba que la mayoría de los defectos en los PNB eran defectos de borde en lugar de defectos del plano basal.

yo _D / Yo _G valores de los PNB producidos usando varias potencias y tiempos de sonicación de (a1) G10, (b1) G30 y (c1) G100. yo _D / Yo _G valores de los PNB producidos al exfoliar (a2) G10, (b2) G30 y (c2) G100 en función de la entrada de energía de sonicación

Para comprender a fondo la influencia del poder y el tiempo de la sonicación de la punta sobre la densidad del defecto de los PNB producidos, se consideró la entrada de energía durante la exfoliación. La Figura 4 (a2), (b2) y (c2) muestra las relaciones entre I _D / Yo _G valor y entrada de energía durante la sonicación de la punta. Evidentemente, independientemente del tamaño inicial de la muestra de grafito en copos, I _D / Yo _G de todos los PNB producidos aumentó linealmente con la entrada de energía. Indicó que para producir PNB de alta calidad, se debe reducir la potencia y el tiempo de sonicación. Además, los resultados mostraron que el I _D / Yo _G Los valores de los PNB producidos por la exfoliación de G30 fueron mucho más bajos que los de los PNB producidos por la exfoliación de G10 y G100. Esto puede deberse a diferencias en la calidad de las impecables muestras de grafito.

Comportamiento de sedimentación de los PNB en un medio líquido

El comportamiento de sedimentación de los GNP en un medio líquido representa la estabilidad de la dispersión del grafeno. La Figura 5 ilustra el comportamiento de sedimentación de los GNP en medios líquidos producidos a una potencia de sonicación de 300 W durante 30, 60, 120 y 180 min estimada determinando la DO de las dispersiones de GNP en función del tiempo de sedimentación. Las curvas de sedimentación para las dispersiones de GNP producidas a potencias de sonicación de 60, 100 y 200 W durante 30, 60, 120 y 180 min se pueden encontrar en el archivo adicional 1. Los resultados indicaron que las concentraciones de las dispersiones de GNP producidas usando diferentes sonicación las potencias y los tiempos disminuyeron rápidamente durante las primeras 12 hy luego se estabilizaron. Después de la sedimentación durante 96 h, las concentraciones de las dispersiones de GNP producidas al exfoliar G10 a una potencia de sonicación de 300 W durante 60, 120 y 180 min fueron 61,8%, 70,1% y 70,5% de sus concentraciones iniciales, respectivamente. Para G30, después de sedimentación durante 96 h, las concentraciones de las dispersiones de GNP producidas con una potencia de sonicación de 300 W durante 60, 120 y 180 min fueron 62,5%, 71,2% y 71,2% de la concentración inicial de las correspondientes dispersiones de GNP. , respectivamente. Mientras tanto, después de la sedimentación durante 96 h de las dispersiones de GNP producidas a partir de G100 utilizando una potencia de sonicación de 300 W durante 60, 120 y 180 min, las concentraciones de las dispersiones fueron 65,9%, 71,6% y 72,3% de sus valores iniciales. respectivamente.

Curvas de sedimentación de las dispersiones de GNP producidas al exfoliar a G10, b G30 y c G100 con una potencia de sonicación de 300 W

Estos resultados indicaron que las concentraciones de las dispersiones de GNP producidas usando diferentes potencias y tiempos de sonicación disminuyeron rápidamente durante las primeras 12 horas y luego se estabilizaron. Después de la sedimentación durante 96 h, las concentraciones de las dispersiones de GNP fueron aproximadamente el 70% de sus valores iniciales. Además, las estabilidades de las dispersiones de GNP en medios líquidos producidas con varias potencias de sonicación durante 120 min fueron casi las mismas que las producidas con varias potencias de sonicación durante 180 min.

Implicaciones para seleccionar los parámetros de sonicación de punta adecuados

Basado en la calidad de los PNB exfoliados usando varios tiempos y poderes de sonicación de la punta, se puede encontrar que el tamaño de los PNB varió de ~ 1 a ~ 3 μm independientemente del tamaño inicial del grafito en copos. Mientras tanto, el yo _D / Yo _G Los valores de los PNB producidos utilizando diversas potencias y tiempos de sonicación de punta mostraron que todos los PNB eran de alta calidad. Además, las concentraciones de dispersiones de GNP producidas a una potencia de sonicación de 300 W fueron mucho más altas que las de las dispersiones producidas a potencias de sonicación de 60, 100 y 200 W. Además, las curvas de sedimentación de las dispersiones de GNP indicaron que las estabilidades de las dispersiones de GNP producidas con varias potencias de sonicación durante 120 min fueron casi las mismas que las de la dispersión producida con varias potencias de sonicación durante 180 min. Teniendo en cuenta todos los factores mencionados anteriormente, creemos que los parámetros de sonicación de la punta adecuados para exfoliar el grafito y formar GNP podrían ser la potencia de sonicación de 300 W durante 120 min.

Además, el grosor de los PNB suele ser un indicador importante de su calidad. Por lo tanto, el espesor de los GNP producidos por la sonicación a 300 W durante 120 min se determinó adicionalmente mediante TEM. La Figura 6a-c muestra las imágenes TEM de campo claro de los GNP producidas al exfoliar G10, G30 y G100 a una potencia de sonicación de 300 W durante 120 min, respectivamente. Para identificar la presencia de GNP monocapa o pocas capas producidas a una potencia de sonicación de 300 W durante 120 min, se midió un patrón de difracción de electrones de los GNP en un ángulo de incidencia de 0 °. Específicamente, la Fig. 6d muestra un patrón de difracción de electrones del GNP en la Fig. 6b, que contiene un patrón de simetría de seis veces consistente con la estructura cristalina típica de un GNP. Además, en este patrón hexagonal, la intensidad de los puntos {1100} es más fuerte que la de los puntos {2110}. Para inspeccionar la relación entre la intensidad {1100} y la de {2110} ( I _{1100} / Yo _{2110} ), algunos de los puntos se ajustaron mediante una línea, como se muestra en la Fig. 6d. La Figura 6e revela que los picos internos son más intensos que los externos y I _{1100} / Yo _{2110} es aproximadamente 1,30. El trabajo anterior demostró que cuando yo _{1100} / Yo _{2110} <1, el GNP debe ser multicapa con apilamiento AB, mientras que cuando I _{1100} / Yo _{2110} > 1, el PNB debe ser monocapa [38]. Por lo tanto, los resultados indicaron que los GNP monocapa o pocas capas se produjeron utilizando una potencia de sonicación de 300 W durante 120 min.

Imágenes TEM de PNB producidas al exfoliar a G10, b G30 y c Muestras de grafito en copos G100 a una potencia de sonicación de 300 W durante 120 min. d Patrón de difracción de electrones tomado de la posición del círculo blanco en b . e Intensidad de difracción tomada a lo largo de la línea en d

Conclusiones

La influencia del poder y el tiempo de sonicación de la punta sobre la exfoliación del grafito en GNP se determinó mediante el análisis de la concentración de las dispersiones de GNP, el tamaño y la densidad de defectos de los GNP producidos y el comportamiento de sedimentación de las dispersiones de GNP. Los resultados indicaron que la concentración de las dispersiones de GNP estaba relacionada con el producto de la potencia de sonicación y el tiempo, es decir, la entrada de energía de sonicación. La relación entre la concentración de una dispersión de GNP y la entrada de energía de sonicación se puede describir mediante \ ({C} _g ={aE} ^ {\ raisebox {1ex} {$ 1 $} \! \ Left / \! \ Raisebox {-1ex } {$ 2 $} \ right.} \). Con el aumento de la potencia y el tiempo de sonicación, el tamaño de los PNB producidos disminuyó, mientras que la densidad de defectos de los PNB aumentó ligeramente. Las curvas de sedimentación de las dispersiones de GNP indicaron que las concentraciones de todas las dispersiones de GNP fueron aproximadamente el 70% de sus valores iniciales, después de la sedimentación durante 96 h. Las imágenes TEM indicaron que los GNP exfoliados con una potencia de sonicación de 300 W durante 120 min eran de pocas capas. El estudio tiene implicaciones importantes para seleccionar los parámetros de sonicación de la punta adecuados para exfoliar el grafito en GNP.

Abreviaturas

CVD:

Deposición de vapor químico

GNPS:

Nanoplaquetas de grafeno

LPE:

Exfoliación en fase líquida

OD:

Densidad óptica

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

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