СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОКСИДА ГРАФЕНА

АННОТАЦИЯ

В этой работе были изучены аспекты синтеза оксида графена и его использования в новых солнечных элементах третьего поколения на основе его физических и химических свойств. Также было изучено влияние различных факторов на выход синтезированного оксида графена. Какие функциональные группы присутствуют в полученном веществе, анализировали методом ИК-спектроскопического анализа.

ABSTRACT

In this work, aspects of the synthesis of graphene oxide and its use in new third-generation solar cells were studied based on its physical and chemical properties. The influence of various factors on the yield of synthesized graphene oxide was also studied. Which functional groups are present in the resulting substance was analyzed by IR spectroscopic analysis.

Ключевые слова: графит, оксид графена, полупроводник, ИК-спектр, оптика, СЭМ-анализ.

Keywords: graphite, graphene oxide, semiconductor, IR spectrum, optics, SEM analysis.

Введение. Оксид графена является одним из электропроводящих материалов с большим количеством электронов. Материалы на основе оксида графена и его производных используются в качестве основного компонента органических солнечных элементов благодаря большой площади поверхности и низкому электрическому сопротивлению. Электропроводность диэлектрических полимерных нанокомпозитов, обработанных оксидом графена, улучшается в несколько раз [1, 2]. Сегодня солнечные элементы на основе органических перовскитов используются в производстве некомпозитных полимеров, модифицированных оксидом графена, благодаря интенсивному увеличению электронно-транспортных слоев. Также краситель повышает эффективность фотокаталитических реакций для композитов диоксида титана TiO₂ и оксида графена, которые используются в качестве фотоанодов в чувствительных солнечных элементах [3, 4].

В последние годы нанокомпозиты на основе графена были в центре внимания многих исследователей из-за их превосходных механических, электрических и термических свойств. Прозрачные электроды из оксида графена с большой площадью поверхности могут стать составной частью солнечных элементов на основе недорогих органических полимерных материалов [5, 6]. В последнее время оксид графена и модифицированный оксид графена используются в качестве компонентов электронного транспорта в новых быстро развивающихся солнечных элементах на основе органического перовскита [7, 8]. Основной принцип работы солнечного элемента на основе графена по существу такой же, как у обычных солнечных элементов из неорганического кремния. Некоторые из используемых в настоящее время материалов будут заменены производными графена.

В настоящее время в связи с интенсивным увеличением электронно-транспортных слоев некомпозитных полимеров, модифицированных оксидом графена, в производстве солнечных элементов используются сенсибилизированные органическими красителями солнечные элементы. Также TiO₂, который используется в качестве фотоанода в сенсибилизированных красителем солнечных элементах, повышает эффективность фотокаталитических реакций для композитов диоксида титана и оксида графена [9, 10].

Как и любое устройство или материал, материалы на основе производных оксида графена имеют параметры, которые можно улучшить для повышения производительности. В частности, ряд свойств, таких как термостойкость, электропроводность, механическая стабильность, приспособляемость к агрессивным средам, позволяют в будущем открыть новый этап наших научных направлений исследований. Эти сверхпроводящие композиты легкие, устойчивы к коррозии и могут быть легко адаптированы для удовлетворения конкретных производственных потребностей [11, 12].

2. Экспериментальная часть

2.1. Методы  и  инструменты  исследования

Для приготовления материалов необходимы следующие химические вещества и оборудование: графитовый порошок, просеянный через мелкое сито, перманганат калия, перекись водорода 40%, концентрированная серная кислота 96%, раствор соляной кислоты, дистиллированная вода и магнитная колба с термометром и водяная баня. Оксид графена был синтезирован из порошка графита методом низкотемпературной окислительной полимеризации. Этот модернизированный метод синтеза включает окисление слоев графита и расслоение путем термической обработки раствора.

2.2. Синтез оксида графена

Взвешивали 3 г просеянного графитового порошка и 2 г соли NaNO₃ и помещали в коническую колбу вместимостью 400 мл на ледяную баню (0-5°С) при постоянном перемешивании. Затем добавляли 50 мл концентрированного раствора H₂SO₄ (96%) и перемешивали магнитной мешалкой при низкой температуре. Перемешивание продолжали при этой температуре в течение 3 часов и к полученной суспензии очень медленно добавляли 18 г перманганата калия. Скорость добавления и температуру реакции тщательно контролировали, чтобы она не превышала 15°C. Затем баню со льдом удаляли и смесь перемешивали при 35°С до образования коричневой массы и перемешивали еще 3 часа. Затем к нему постепенно добавляли 100 мл воды. Температура реакции быстро повышалась до 98°С, после чего раствор становился темно-коричневым. Затем этот раствор разбавляли добавлением дополнительных 200 мл воды при постоянном перемешивании.

Наконец, раствор обработали 10 мл H₂O₂, чтобы остановить реакцию, когда цвет изменился на темно-черный. Для очистки смесь сначала многократно промывали 10%-ным раствором HCl, а затем несколько раз дистиллированной водой. После фильтрации и вакуумной сушки при комнатной температуре был получен порошок оксида графена (ГО). Высушенный порошок оксида графена (ГO) черного цвета растворяется в органических растворителях.

2.3.  Факторы, влияющие на синтез оксида графена

Аналитические данные о влиянии массового соотношения графита и перманганата калия на выход продукта, полученного при производстве оксида графена в присутствии графита, перманганата калия, концентрированной серной кислоты, перекиси водорода и раствора аммиака для нейтрализации, продолжительности реакции и разница в температуре реакции подробно представлены в таблице-1.

Таблице 1.

Исследование влияния концентрации, времени и температуры реагентов на выход продукта

Рисунок 1. Влияние мольных соотношений исходных материалов на выход реакции при получении оксида графена

В ходе эксперимента проводили реакции, беря графит и перманганат калия в разных пропорциях. При этом были представлены результаты реакций, проведенных с использованием различных массовых соотношений перманганата калия и графита. При реакции графита и перманганата калия в массовом соотношении 1:6 выход процесса составил 80% (рис. 1).

Рисунок 2. Влияние времени на выход реакции при производстве оксида графена

Эксперименты проводились в разное время. Выход продукта, полученного в разные промежутки времени в ходе реакции, то есть от 2 до 8 часов, был протестирован, и результаты показаны на рис- 2. Установлено, что выход продукта, полученного при реакции графита и перманганата кальция в течение 6 часов, превышает 80%.

Рисунок 3. Влияние температуры на выход реакции при производстве оксида графена

Опыты проводились при разных температурах. При этом эффективность реакций, проводимых при разных температурах, была протестирована как при низких, так и при высоких температурах, и результаты показаны на рис-3. Установлено, что выход продукта, полученного при взаимодействии графена с перманганатом калия в интервале температур от 0 до -5 ^оС, превышает 70 %.

3. Полученные результаты и их обсуждение

3.1. ИК-спектроскопический анализ синтезированного оксида графена

По результатам инфракрасной спектроскопии (ИК) анализа оксида графена, синтезированного методом окислительной полимеризации, представлен их анализ.

Этот метод инфракрасной спектроскопии (ИК) используется для получения спектров поглощения, излучения и фотопропускания твердых тел, жидкостей или газов с использованием инфракрасного света. Его также можно использовать для определения состава неизвестных соединений. В нашем исследовании анализ инфракрасной спектроскопии (ИК) использовался для изучения взаимодействий связей в оксиде графена, образованном в результате реакции до и после процесса окисления графита. На рисунках 4 а) и б) показаны инфракрасные спектроскопические изображения графита и синтезированного оксида графена (ГО). Оксид графена показывает пики поглощения, подтверждающие наличие функциональных групп С-О с частотой колебаний 1047 см^-1. Пики поглощения между 1593 см^-1 и 1705 см^-1 указывают на то, что эта связь С=С сохраняется до и после процесса окисления. Сообщается, что широкий пик от 588 см^-1 до 3750 см^-1, обусловленный областью O-Н молекул воды Н₂O, адсорбированных на оксиде графена (ГO), относится к частотам валентных колебаний гидроксильных групп.

Рисунок 4.  Инфракрасный спектр а) графита и б) оксида графена

Высокая электронная проводимость, прозрачность и гибкость оксида графена делают его пригодным для использования в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. Здесь они могут использоваться по-разному, например, в качестве электродов (анодов и катодов), акцепторных слоев, донорных слоев, буферных слоев и активных слоев. Многие функции солнечного элемента зависят от уникальных настраиваемых параметров оксида графена, включая толщину, температуру термического отжига, концентрацию легирующей примеси в слое и его фотоэлектрические характеристики.

4. Выводы

В заключение был синтезирован оксид графена на основе графитового порошка и сильных окислителей в кислой среде. Исследовано влияние различных факторов на выход синтезированного оксида графена. С целью изучения состава и строения полученного вещества его анализировали методом инфракрасной спектроскопии. Также была дана информация об уникальных свойствах композитов на основе оксида графена и его производных.

Список литературы:

1. Assadi M. K., Bakhoda S., Saidur R., Hanaei H., // Recent progress in perovskite solar cells //. Renewable Sustain Ener Rev.(2018) doi: 10.1016/j.rser.2017.06.088.
2. Artur T. Dideikin and Alexander Y. Vu //graphene oxide and derivatives: theplace in graphene family// Frontiers in Physics // published:28 Jan 2019.doi: 10.3389/fphy.2018.00149
3. Kakavelakis G., Maksudov T., Konios D., Kioseoglou G. // Ecient and highly air stable planar inverted perovskite solar cells with reduced graphene oxide doped PCBM electron transporting layer //. Adv.Energy Mater. (2017) 7:1602120. doi:10.1002/aenm.201602120.
4. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Изготовление и анализ сенсибилизированных солнечных элементов с использованием пигмента на основе фталоцианина меди // Universum: технические науки: электрон. научн. журн.2020. № 11(80). С.73-77.
5. Daniela C, Dmitry V, Jacob M,  Alexander S, Zhengzong S, et al. (2010) Improved Synthesis of Graphene Oxide. ACS Nano 4: 4806-4814.
6. Ovid’Ko, I. A., // Enhanced mechanical properties of polymer-matrix nanocomposites reinforced by graphene inclusions// a review. Rev. Adv. Mater. Sci 34, 1 (2013) 19-25.
7. Шукуров  Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Исследование синтезированных полупроводниковых полимеров // Universum: технические науки: электрон.научн. журн. – 2020. – № 11 (80).С.78-81.
8. Шукуров Д. Х.,Тураев Х.Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Исследование синтезированных полупроводниковых полимеров // Universum: химия и биология: электрон.научн. журн. – 2020. – № 12 (78). С.56-60.
9. Chen W, Yan L, Bangal PR. Preparation of graphene by the rapid and mild thermal reduction of graphene oxide induced by microwaves. Carbon (2010) 48:1146–52. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.037.
10. Singh RK, Kumar R, Sing DP. Graphene oxide: strategies for synthesis, reduction and frontier applications. RSC Adv.(2016)6:64993.doi: 10.1039/C6RA07626B.
11. Turaev Kh.Kh., Shukurov D.Kh., Djalilov A.T., Karimov M.U. New review of dye sensitive solar cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), –India, Hindiston. –2021. –№ 69(9). –Р. 265-271. doi: 10.14445/22315381/IJETT-V69I9P232.
12. Shukurov D.Kh.,Turaev Kh.Kh., Tojiyev P.J., Karimov M.U. Synthesis of Polyaniline Dye Pigment and Its Study in Dye-Sensitive Solar Cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), –India, Hindiston. –2022. – № 70(4). –Р. 236-244. doi: 10.14445/22315381/IJETT-V70I4P220.
13. Radich  James G.,  Mcginn Paul J., Kamat  Prashant  V. // Graphene-based  composites  for electrochemical energy storage// The Electrochemical Society Interface Vol. 20.1, 2011, pp. 63-66.
14. Ahmad, I., Khan, U., and Gun’ko, Y. K. //Graphene, carbon nanotube and ionic liquid mixtures: towards new quasi-solid state electrolytes for dye sensitised solar cells// J. Mater. Chem. Vol. 21, (2011). Pp.16990–16996. doi: 10.1039/c1jm11537e.
15. Anjusree, G. S., Nair, A. S., Nair, S. V., and Vadukumpully, S. //One-pot hydrothermal synthesis of TiO₂/graphene nanocomposites for enhanced visible light photocatalysis and photovoltaics// RSC Adv. Vol.3, 2013. Pp.12933–12938. doi:10.1039/c3ra41388h.
16. Bo, Z., Shuai, X., Mao, S., Yang, H., Qian, J., Chen, J., et al. //Green preparation of reduced graphene oxide for sensing and energy storage applications// Sci.Rep. 4, p. 4684. doi:10.1038/srep04684.
17. Bonaccorso, F., Colombo, L., Yu, G., Stoller, M., Tozzini, V., Ferrari, A. C., et al. // Graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems for energy conversion and storage// Science vol.347, 2015. P.6217. doi:10.1126/science.1246501.
18. Chatterjee, S., Patra, A. K., Bhaumik, A., and Nandi, A. K. // Poly[3-(2-hydroxyethyl)-2,5-thienylene] grafted reduced graphene oxide: an efficient alternate material of TiO₂ in dye sensitized solar cells// Chem. Commun. (Camb) vol. 49, 2013. Pp.4646–4648. doi:10.1039/c3cc40843d.
19. Chen, D., Zhang, H., Liu, Y., and Li, J. H. //Graphene and its derivatives for the development of solar cells, photoelectrochemical, and photocatalytic applications// Energy Environ. Sci. 6, 2013.  pp. 1362–1387. doi:10.1039/c3ee23586f.
20. Chen L., Zhou Y., Tu W., Li Z., Bao C., Dai H., et al. // Enhanced photovoltaic performance of a dye-sensitized solar cell using graphene-TiO₂ photoanode prepared by a novel in situ simultaneous reduction-hydrolysis technique // Nanoscale vol. 5, 2013. pp.3481–3485. doi:10.1039/c3nr34059g.
21. Pimenta MA, Dresselhaus G, Dresselhaus MS, Cancado LG, Jorio A, Saito R. // Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy // Physical Chemistry Chemical Physics.;vol. 9. 2007,pp. 1276-1291. doi: 10.1039/b613962k.
22. Frankberg EJ, George L,  Efimov A, Honkanen M, Pessi J,Levдnen E. // Measuring synthesis yield in graphene oxide synthesis by modified Hummers method // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2015, vol. 23(9), pp.755-759. doi: 10.1080/1536383X.2014.993754.
23. Yang, H. B., Guai, G. H., Guo, C. X., Song, Q. L., Jiang, S. P., Wang, Y. L., et al. // NiO/graphene composite for enhanced charge separation and collection in p-type dye sensitized solar cell//. Journal of Phys. Chem. 2011. vol. 115, pp.12209–12215. doi:10.1021/jp201178a.
24. Zhu, Y., Murali, S., Cai, W., Li, X., Suk, J. W., Potts, J. R., et al.. // Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications //. Adv. Mater. Vol.22, 2010. pp. 3906–3924. doi:10.1002/adma.201001068.
25. Fan, Z., Zheng, C., Wei, T., Zhang, Y., & Luo, G. // Effect of carbon black on electrical property of graphite nanoplatelets/epoxy resin composites //. Polymer Engineering & Science vol. 49, 10. 2009. pp.2041-2045.
26. Radich, J. G., McGinn, P. J.,  Kamat P. V.,  // Graphene-based composites for electrochemical energy storage//. The Electrochemical Society Interface vol. 20,1, 2011. pp. 63-66.