ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ГРАФИТА В 58% АЗОТНОЙ КИСЛОТЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ОКСИДА ГРАФЕНА

  • Elena V. Yakovleva Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • Andrey V. Yakovlev Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • Ivan N. Frolov Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
  • Anton S. Mostovoy Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина
  • Vitaly N. Tseluikin Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина
Ключевые слова: графит, азотная кислота, электрохимический синтез, окисленный графит, оксид графена

Аннотация

Проведены исследования электрохимического окисления порошка графита в 58% HNO3. Получены образцы окисленного графита с сообщением количества электричества 500, 700, 1500 мА ч г-1. Характер гальваностатической зависимости позволяет выделить область образования интеркалированного соединения графита до накопления количества электричества 500 мА ч г-1. Установлено, что при сообщении количества электричества свыше 700 мА ч г-1 начинается процесс электрохимического переокисления интеркалированного графита с образованием многослойного оксида графена, что подтверждается комплексными исследованиями с использованием рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, ИК-Фурье спектроскопии, лазерной дифракции. Синтезированный многослойный оксид графена характеризуется наличием спектра кислородсодержащих функциональных групп, преимущественно гидроксильных, а также карбоксильных, эпоксидных и алкоксильных. На рентгенограммах зафиксирован пик при 2θ = 11,45°, интенсивность которого увеличивается для переокисленных соединений графита и также свидетельствует об образовании многослойного оксида графена с межслоевым расстоянием 7,8 Å. Синтезированный материал в водных суспензиях под действием ультразвука подвергается диспергированию с уменьшением размеров частиц в 7-11 раз по сравнению с исходным графитом. Диапазон распределения частиц по размерам составляет 0,2-230 мкм, а доля частиц с размером меньше 10 мкм достигает 18%. Слоистая структура графеновых слоев сохраняется, однако степень их деформации увеличивается, а толщина слоев уменьшается при увеличении сообщаемого количества электричества. Предложенный электрохимический метод синтеза прекурсора графена - многослойного оксида графена, позволяет получать данный материал стабильного состава в достаточных для прикладного использования количествах, например, в качестве наполнителя полимерных композитов.

Литература

Tseluikin V.N., Solov'ova N.D., Gun'kin I.F. Elecdtrodeposition of nickel-fullerene C60 composition coatings. Prot. Met. 2007. V. 43. N 4. P. 388 – 390. DOI: 10.1134/S003317320704012.

Tseluikin V.N., Chubenko I.S, Gun'kin I.F., Pankst'yanov A.Yu. Colloidal dispersion of fullerene C60 free of organic solvents. Russ. J. Appl. Chem. 2006. V. 79. N 2. P. 325 – 326. DOI: 10.1134/S1070427206020315.

Jian Ru Gong. Graphene – Synthesis, Characterization, Properties and Applications. Rijeeka, Croatia: inTechWeb.org. 2011. 184 p.

Hammers W.S., Offman R.E. Preparation of Graphitic Oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958. V. 80 N 6. P. 1339–1339. DOI: 10.1021/ja01539a017.

Dreyer D.R., Jia H.P., Bielawski C.W. Graphene oxide: a convenient carbocatalyst for facilitating oxidation and hydration reactions. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2010. V. 49. N 38. P. 6813–6816. DOI: 10.1002/anie.201002160.

Peng Wang, Tao Yao, Bo Sun, Xiaoliang Fan, Sijie Dong, Yun Bai, Yu Shi. A cost-effective method for preparing mechanically stable anti-corrosive superhydrophobic coating based on electrochemically exfoliated grapheme. Colloids Surf., A. 2017. V. 513. P. 396-401. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2016.11.002.

Zhiming Tian, Pei Yu, Sean E. Lowe, Tony G. Pandolfo, Thomas R. Gengenbach, Kate. M. Nairn, Jingchao Song, Xin Wang, Yu Lin Zhong, Dan Li. Facile electrochemical approach for the production of graphite oxide with tunable chemistry. Carbon. 2017. V. 112. P. 185-191. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.10.098.

Songfeng Pei, Qinwei Wei, Kun Huang, Hui-Ming Cheng, Wencai Ren. Green synthesis of graphene oxide by seconds timescale water electrolytic oxidation. Nature Commun. 2018. V. 9. Article number: 145. DOI: 10.1038/s41467-017-02479-z.

Xueqiu You, Jong-Hyeon Chang, Byeong Kwon Ju, James Jungho Pak. An Electrochemical Route to Graphene Oxide. J. Nanosci. Nanotechnol. 2011. V. 11. P. 5965–5968. DOI: 10.1166/jnn.2011.4451.

Jianyun Cao, Pei He, Mahdi A. Mohammed, Xin Zhao, Robert J. Young, Brian Derby, Ian A. Kinloch, Robert A. W. Dryfe. Two-Step Electrochemical Intercalation and Oxidation of Graphite for the Mass Production of Graphene Oxide. J. Am. Chem. Soc. 2017. V. 139. P. 17446−17456. DOI: 10.1021/jacs.7b08515.

Khaled Parvez, Zhong-Shuai Wu, Rongjin Li, Xianjie Liu, Robert Graf, Xinliang Feng, Klaus Müllen. Exfolia-tion of Graphite into Graphene in Aqueous Solutions of Inor-ganic Salts. J. Am. Chem. Soc. 2014. V. 136. P. 6083−6091. DOI: 10.1021/ja5017156.

Gurzeda B., Buchwald T., Nocun M., Bakowicz A., Krawczyk P. Graphene material preparation through thermal treatment of graphite oxide electrochemically synthesized in aqueous sulfuric acid. RSC Advances. 2017. V. 7. P. 19904–19911. DOI: 10.1039/c7ra01678f.

Sean E. Lowe, Ge Shi, Yubai Zhang, Jiadong Qin, Shujun Wang, Alexander Uijtendaal, Jiqing Sun, Lixue Jiang, Shuaiyu Jiang, Dongchen Qi, Mohammad Al-Mamun, Porun Liu, Yu Lin Zhong, Huijun Zhao. Scala-ble Production of Graphene Oxide Using a 3D-Printed Packed-Bed Electrochemical Reactor with a Boron-Doped Di-amond Electrode. ACS Appl. Nano Mater. 2019. V. 2. P. 867–878. DOI: 10.1021/acsanm.8b02126.

Kodepelly Sanjeeva Rao, Jaganathan Sentilnathan, Hsun-Wei Cho, Jih-Jen Wu, Masahiro Yoshimura. Soft Processing of Graphene Nanosheets by Glycine-Bisulfate Ionic-Complex-Assisted Electrochemical Exfoliation of Graphite for Reduction Catalysis. Adv. Funct. Mater. 2015. V. 25. P. 298–305. DOI: 10.1002/adfm.201402621.

Sheng Yang, Martin R. Lohe, Klaus Müllen, Xinliang Feng. New-Generation Graphene from Electrochemical Approaches: Production and Applications. Adv. Mater. 2016. V. 28. P. 6213–6221. DOI: 10.1002/adma.201505326.

Randhir Singh, Chandra Charu. Tripathi Synthesis of Colloidal Graphene by Electrochemical Exfoliation of Graphite in Lithium Sulphate. Mater. Today. 2018 V.5. P. 973–979. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.11.173.

Khaled Parvez, Rongjin Li, Sreenivasa Reddy Puniredd, Yenny Hernandez, Felix Hinkel, Suhao Wang, Xinliang Feng, Klaus Mullen. Electrochemically Exfoliated Graphene as Solution-Processable, Highly Conductive Electrodes for Organic Electronics. ACS Nano. 2013. V. 7. N 4. P. 3598-3606. DOI: 10.1021/nn400576v.

Quanzhu Zhou, Yonghong Lu, Haibo Xu. Highyield production of high-quality graphene by novel electrochemical exfoliation at airelectrolyte interface. Mater. Lett. 2019. V. 235. N 15. P. 153-156. DOI: 10.1016/j.matlet.2018.10.016.

Suyun Tian, Siwei Yang, Tao Huang, Jing Sun, Huishan Wang, Xipeng Pu, Linfan Tian, Peng He, Guqiao Ding, Xiaoming Xie. One-step fast electrochemical fabrication of water-dispersible grapheme. Carbon. 2017. V. 111. P. 617-621. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.10.044.

Munuera J.M., Paredes J.I., Villar-Rodil S., Martínez-Alonso A., Tascón J.M.D. A simple strategy to improve the yield of graphene nanosheets in the anodic exfoliation of graphite foil. Carbon. 2017. V.115. P. 625-628. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.038.

Kunfeng Chen, Dongfeng Xue. Preparation of colloidal graphene in quantity by electrochemical Exfoliation. J. Colloid Interface Sci. 2014. V. 436. P. 41–46. DOI: 10.1016/j.jcis.2014.08.057.

Hui Wang, Can Wei, Kaiyi Zhu, Yu Zhang, Chunhong Gong, JianhuiGuo, Jiwei Zhang, Laigui Yu, Jingwei Zhang. Preparation of graphene sheets by electrochemical exfoliation ofgraphite in confined space and their application in transparentconductive films. ACS Appl. Mater. Interf. 2017. V. 9. P. 34456−34466. DOI: 10.1021/acsami.7b09891.

Gurzeda B., Krawczyk P. Potential oscillations affected by the electrochemical overoxidation of graphite in aqueous nitric acid. Electrochim. Acta. 2018. V. 267. P. 102-109. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.02.058.

Gurzeda B., Krawczyk P. Electrochemical formation of graphite oxide from the mixture composed of sulfuric and nitric acids. Electrochim. Acta. 2019. V. 310. P. 96-103. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.04.088.

Raneen Imad Jibrael, Mustafa K.A. Mohammed. Production of graphene powder by electrochemical exfoliation of graphite electrodes immersed in aqueous solution. Optik. 2016. V. 127. P. 6384–6389. DOI: 10.1016/j.ijleo.2016.04.101.

Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Tseluikin V.N., Krasnov V.V., Mostovoy A.S., Rakhmetulina L.A., Frolov I.N. Electrochemical Synthesis of Multilayer Graphene Oxide by Anodic Oxidation of Disperse Graphite. Russ. J. Electrochem. 2019. V. 55. N 12. P. 1196–1202. DOI: 10.1134/S102319351912019X.

Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Tseluikin V.N., Krasnov V.V., Mostovoy A.S., Vikulova M.A., Frolov I.H., Rakhmetulina L.A. Synthesis of Multilayer Graphene Oxide in Electrochemical Graphite Dispersion in H2SO4. Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 2. P. 219−224. DOI: 10.1134/S1070427220020093.

Yakovlev A.V., Zabud’kov S.L., Yakovleva E.V., Finaenov A.I. A study of the possibility of anodic oxidation of suspensions formed by dispersed graphite and nitric acid. Russ. J. Appl. Chem. 2006. V. 79. N 10. P. 1600-1604. DOI: 10.1134/S1070427206100077.

Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Zabud’kov S.L., Finaenov A.I. Electrochemical processes on graphite powder electrodes in HNO3 solutions. Russ. J. Appl. Chem. 2010. V. 83. N 5. P. 820−825. DOI: 10.1134/S1070427210050113.

Frolov I.N., Zabudkov S.L., Yakovlev A.V., Lopukhova M.I. Selection of mode of anodic treatment of graphite in a spent nitric acid etching solutionfor producing thermally expanding graphite compounds. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [ChemChemTech]. 2019. V. 62. N 6. P. 77-83. DOI: 10.6060/ivkkt.20196206.5873.

Mostovoy A.S., Yakovlev A.V., Lopukhova M.I. Direc-tional control of physico-chemical and mechanical properties of epoxide composites by the addition of graphite-graphene structures. Polym.-Plast. Tech. Mat. 2020. V. 59. N 8. P. 874–883. DOI: 10.1080/25740881.2019.1698615.

Опубликован
2021-03-20
Как цитировать
Yakovleva, E. V., Yakovlev, A. V., Frolov, I. N., Mostovoy, A. S., & Tseluikin, V. N. (2021). ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ГРАФИТА В 58% АЗОТНОЙ КИСЛОТЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ОКСИДА ГРАФЕНА. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 64(3), 59-65. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216403.6324
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы