Проекты

Получение пленок на основе оксида графена, содержащих катионы металлов

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии»

Направление работы: Нанотехнология, Неорганическая химия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1568
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Графен считается самым тонким углеродным веществом — его толщина в подвешенном состоянии составляет около 0,3 нм. Однако, это справедливо лишь для «идеального» однослойного графена, который получить крайне тяжело. Обычно для создания материалов и устройств на основе графена используют восстановленный химическим способом оксид графена. Оксид графена представляет собой углеродный графеновый слой, покрытый большим количеством кислородсодержащих функциональных групп. Их можно восстановить химической или термической обработкой и таким образом получить немногослойный графен.

Также стоит сказать, что в основном при работе с оксидом графена имеют дело либо с порошковым состоянием, либо с его диспергированной в каком-либо растворителе форме. Оксид графена образует устойчивую коллоидную систему в воде. Однако, недавно было обнаружено, что при небольшом нагреве дисперсии может быть получена «бумага» из оксида графена — прочно связанная пленка, по прочности даже сравнимая с полимерными материалами. Поэтому разработка наноструктурных функциональных материалов на основе оксида графена и исследование их физико-химических свойств определяют значимость данного исследования.

Цель

Получение тонких пленок на основе оксида графена, содержащего катионы металлов в своей структуре.

Задачи

  1. Синтез оксида графена и его характеризация.
  2. Получение дисперсий оксида графена с солями металлов.
  3. Создание тонких пленок из дисперсий оксида графена с катионами.
  4. Исследование структуры полученных пленок при помощи сканирующего электронного микроскопа.
  5. Исследование диэлектрических свойств полученных тонких пленок путем измерения удельного сопротивления.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Оборудование:

  • Мешалка магнитная
  • Печь муфельная
  • Центрифуга
  • Ультразвуковая установка
  • Элементный анализатор «EA1108» (Carlo Ebra Instruments)
  • ИК-Фурье-спектрометр Bruker «Alpha» с приставкой «Platinum ATR»
  • Рентгенофазовый спектрометр Bruker «D8 Advance»
  • Сканирующий электронный микроскоп Carl Zeiss «Supra 40-30-87»
  • Мультиметр «RGK DM-10»
  • Потенциостат-гальваностат «P-30J Elins»
  • Химическая посуда

Реактивы и расходные материалы:

  • Графит (Sigma-Aldrich, 200 мкм фракция)
  • Концентрированная H2SO4
  • Персульфат аммония (NH4)2S2O8
  • Оксид фосфора (V) P4O10
  • Перманганат калия KMnO4
  • Перекись водорода H2O2
  • Соляная кислота HCl
  • Вода дистиллированная
  • Формиат натрия HCOONa
  • Ацетат свинца (II) (CH3COO)2Pb
  • Формиат никеля (II) Ni(HCOO)2
  • Ацетилацетонат кобальта (III) Co(Acac)3

Описание

Получение оксида графита проводилось путем окисления природного графита по модифицированному методу Хаммерса. Порошок графита интеркалировали добавлением серной кислоты H2SO4, персульфата аммония (NH4)2S2O8 и оксида фосфора (V) P4O10. Полученный графит окисляли использованием концентрированной серной кислоты H2SO4, а также перманганата калия KMnO4.

Для удаления продуктов реакции использовали пероксид водорода H2O2 и смесь серной и соляной кислот. Полученный коричневый осадок многократно промывали водой и сушили.

Затем сухой порошок (оксид графита) поместили в дистиллированную воду, обработали мощным ультразвуком и центрифугировали для удаления нерасслоившихся частиц. В результате была получена дисперсия оксида графена с концентрацией частиц ~1 мг/мл, количество слоев оксида графена не превышало 10.

Далее в дисперсию оксида графена вводились катионы переходных и непереходных металлов (Na+, Ni2+, Co3+, Pb2+) в виде растворимых в воде органических солей. При этом расчетное содержание катиона в композите составляло ~10 % по массе.

Исследование структуры и состава полученного оксида графена проводили при помощи элементного анализа, ИК- и КР-спектроскопии, рентгенофазового анализа, оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.

Согласно полученным данным элементного анализа, молярное соотношение С/О в оксиде графена составляет 2 к 1, что удовлетворяет приблизительной, используемой в литературе формуле С8O32О).

При расшифровке данных спектроскопических исследований порошка оксида графена (ОГ) и пленки оксида графена (ПОГ) установлено, что в полученном оксиде графена имеются частоты, соответствующие колебаниям гидроксильных OH- групп (широкий пик ~3000-3330 см-1), в том числе и присоединенной воды; карбонильных С=О групп (~1724 см-1), ароматических связей С=С (~1560 см-1), эпокси- групп С-О (900-1050 см-1), сульфогрупп -SO3H, оставшихся после серной кислоты, (1221 см-1).

По данным рентгенофазового анализа в синтезированном нами веществе присутствовала только фаза оксида графита (угол 2θ= 11,5º).

По данным сканирующей электронной микроскопии пленка оксида графена представляет собой гладкие чешуйки, латеральный размер которых достигает 100 нм и более.

Далее проводились исследования тонких пленок оксида графена, содержащих катионы металлов. Для получения тонких пленок соли выбирались таким образом, чтобы противоион был близок по составу к оксиду графена, а также чтобы они имели различную валентность. При этом расчетное содержание катиона в композите составляло ~10 % по массе.

В результате медленного испарения были получены структуры, содержащие осажденную систему «оксид графена + катионы металлов». В основном пленки были гладкими и коричневыми по цвету. Для установления морфологии образцы были исследованы при помощи сканирующей электронной микроскопии. На рисунке представлены микрофотографии пленок оксида графена с катионами: А — Co3+, Б — Ni2+, В — Na+, Г — Pb2+.

Из полученных данных видно, что происходит совместное осаждение соли и слоев оксида графена. Отчетливо видны кристаллиты, которые покрыты тонкими пленочками.

Оксид графена — это диэлектрик, механические свойства которого позволяют применять его для создания устройств гибкой электроники. Но все же он не способен обеспечить надежную изоляцию, так как по нему всё-таки течет электрический ток. Наличие катионов металлов должно было изменить структуру оксида графена, а, следовательно, и его свойства. Поэтому последний этап работы заключался в измерении сопротивления полученных материалов. Предварительно, для оценочного измерения использовали мультиметр. Во всех образцах, кроме «чистой» пленки оксида графена, наблюдали «зашкаливание» — сопротивление было больше 20 МОм. Тогда удельное поверхностное сопротивление образцов было измерено при помощи потенциостата-гальваностата Elins четырехзондовым методом в ячейке с точечными контактами, покрытыми платиной. В целом введение катионов в структуру оксида графена увеличивает сопротивление в 3-5 раз. Для образца, содержащего Ni2+, было получено удивительно высокое значение удельного поверхностного сопротивления, превышающее сопротивление «чистого» оксида графена на два порядка. Поэтому можно утверждать, что в данной работе были получены новые нанокомпозиционные диэлектрические материалы на основе оксида графена.

Все синтетические работы по получению оксида графена и пленок, а также частично физико-химические измерения, проводились силами авторов.

Результаты работы/выводы

В данной работе были получены тонкопленочные материалы на основе оксида графена и катионов металлов (Na+, Ni2+, Co3+, Pb2+). Оксид графена и осажденные пленки на его основе были охарактеризованы комплексом методов физико-химического анализа. Показано, что введение катионов в структуру оксида графена увеличивает сопротивление в 3-5 раз.

Перспективы использования результатов работы

Описанную методику получения пленок можно применять к созданию новых диэлектрических материалов на основе оксида графена. Также данное исследование может быть продолжено с целью получения модифицированных пленок графена путем восстановления пленок оксида графена с введенными катионами.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ИОНХ РАН им. Н.С. Курнакова; МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет