УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ, ВОССТАНОВЛЕННЫЕ ИЗ ОКСИДА ГРАФИТА, КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
https://doi.org/10.17073/1609-3577-2014-3-157-167
Аннотация
Рассмотрены способы получения и свойства углеродных наноматериалов (оксида графита, оксида графена, восстановленного оксида графена), которые используют в качестве электродов суперконденсаторов. Описаны способы получения оксида графита с последующим выделением из него оксида графена и восстановлением оксида графена термическим, фотохимическим и химическим способами. Проанализированы данные по составу и концентрации функциональных групп в оксиде графена, а также его элементный состав. Приведены результаты анализа физических, электрохимических, термических и оптических свойств оксида графена и его производных. С помощью метода РФЭС оценено соотношение кислородсодержащих функциональных групп. Установлено наличие частичного поверхностного восстановления. Водородсодержащие функциональные группы охарактеризованы с помощью ИК−спектроскопии. Рассмотрен метод оценки размеров графеновых кристаллитов с помощью спектров комбинационного рассеяния. Термогравиметрическим методом проанализированы потери массы при нагреве. Методом масс−спектрометрии изучено газовыделение из оксида графена при термическом и фотохимическом восстановлении. Наглядно продемонстрировано, что эти способы восстановления различаются по составу выделяющихся газов. Описан химический способ восстановления оксида графена с помощью гидразина.
Об авторах
Ю. М. Шульга
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия
Россия
Россия
кандидат хим. наук, ведущий научный сотрудник
Н. Ю. Шульга
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия
Россия
Россия
инженер 1−ой категории
Ю. Н. Пархоменко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия
Россия
Россия
доктор физ.−мат. наук, профессор, заведующий кафедрой
Список литературы
1. Doung,T.G.2002Annualprogressreportforenergystorage research and development / T. G. Doung // Freedom Car and Vehicle Technologies Program. − 2003.
2. Pat. 2800616 U.S. Low voltage electrolytic capacitor / H. I. Becker. Iss. Date: July 23, 1957.
3. Novoselov, K. Electric field effect in atomically thin carbon films / K. Novoselov, A. Geim, S. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. Dubonos, I. Grigorieva, A. Firsov // Science. − 2004. − V. 306. − P. 666—669.
4. Brodie,B.C.Ontheatomicweightofgraphite/B.C.Brodie // Philos. Trans. R. Soc. London. − 1859. − V. 149. − P. 249—259.
5. Hummers,W.S.Preparationofgraphiticoxide/W.S.Hummers, R. E. Offeman // J. Amer. Chem. Soc. − 1958. − V. 80, N 6. − P. 1339.
6. Shulga, Y. M. Graphene oxide films as separators of polyaniline−based supercapacitors / Y. M. Shulga, S. A. Baskakov, V. A. Smirnov, N. Y. Shulga, K. G. Belay, G. L. Gutsev // J. Power Sources. − 2014. − V. 245. − P. 33—36.
7. Shulga, Y. M. Colorful polymer compositions with dyed graphene oxide nanosheets / Y. M. Shulga, S. A. Baskakov, V. E. Muradyan, D. N. Voilov, V. A. Smirnov, A. Michtchenko, J. G. Cabañas− Moreno, K. G. Belay, C. A. Weatherford, G. L. Gutsev // ISRN Optics. − 2012.
8. Dispersion in water: Single layer graphene oxide. URL: https://graphene−supermarket.com/Dispersion−in−Water− Single−Layer−Graphene−Oxide−175−ml.html (дата обращения 11.08.2014).
9. Шульга, Ю. М. Расслоение и восстановление оксида графита при микроволновом нагреве / Ю. М. Шульга С. А. Баскаков, Н. Н. Дремова, Н. Ю. Шульга, Е. А. Скрылева // Фундаментальная и прикладная физика. − 2012. − No 1. − С. 7—10.
10. Briggs, D. Practical surface analysis: auger and X−ray photoelectron spectroscopy / D. Briggs, M. P. Seah. − Wiley, 1990. − P. 657.
11. Voylov, D. N. Room temperature reduction of multilayer graphene oxide film on a copper substrate: Penetration and participation of copper phase in redox reactions / D. N. Voylov, A. L. Agapov, Y. M. Shulga, A. P. Sokolov, A. A. Arbuzov // Carbon. − 2014. − V. 69. − P. 563—570.
12. Shulga, Y. M. XPS study of fluorinated carbon multi− walled nanotubes / Y. M. Shulga, Ta−Chang Tien, Chi−Chen Huang, Shen−Chuan Lo, V. E. Muradyan, N. V. Polyakova, Yong−Chien Ling, R. O. Loutfy, A. P. Moravsky // J. Electron. Spectroscopy and Related Phenom. − 2007. − V. 160. − P. 22—28.
13. Yang, Dongxing. Chemical analysis of graphene oxide films after heat and chemical treatments by X−ray photoelectron and micro−Raman spectroscopy / D. Yang, A. Velamakanni, G. Bozoklu, S. Park, M. Stoller, R. D. Piner, S. Stankovich, I. Jung, D. A. Field, C. A. Ventrice Jr., R. S. Ruoff // Carbon. − 2009. − V. 47, iss. 1. − P. 145—152
14. Shin, H. Efficient reduction of graphite oxide by sodium borohydride and its effect on electrical conductance / H. Shin, K. Kim, A. Benayad, S. Yoon, H. Park, I. Jung, M. Jin, H. Jeong, J. Kim, J. Choi, Y. Lee // Adv. Funct. Mater. − 2009. − V. 19, iss. 12. − P. 1987—1992.
15. Pei, S. The reduction of graphene oxide / S. Pei, H. Cheng // Carbon. − 2012. − V. 50, iss. 9. − P. 3210—3228.
16. Sobon, G. Graphene oxide vs. reduced graphene oxide as saturable absorbers for Er−doped passively mode−locked fiber laser / G. Sobon, J. Sotor, J. Jagiello, R. Kozinski, M. Zdrojek, M. Holdynski, P. Paletko, J. Boguslawski, L. Lipinska, K. M. Abramski // Optics express. − 2012. − V. 20, N 17. − P. 19463—19473.
17. Si,Y.Synthesisofwatersolublegraphene/Y.Si,E.T.Samulski // Nano Lett. − 2008. − V. 8. − P. 1679—1682.
18. Jeong, Hae−Kyung. Thermal stability of graphite oxide / Hae−Kyung Jeong, Yun Pyo Lee, Mei Hua Jin, Eun Sung Kim, Jung Jun Bae, Young Hee Lee // Chem. Phys. Lett. − 2009. − V. 470. − P. 255—258.
19. Cote,L.J.Flashreductionandpatterningofgraphiteoxide and its polymer composite / L. J. Cote, R. Cruz−Silva, J. Huang // J. Amer Chem. Soc. − 2009. − V. 131. − P. 11027—11032.
20. Karthika, P. Functionalized exfoliated graphene oxide as supercapacitor electrodes / P. Karthika, N. Rajalakshmi, K. S. Dhathathreyan // Soft Nanosci. Lett. − 2012. − V. 2. − P. 59—66.
21. Galande, Ch. Quasi−molecular fluorescence from graphene oxide / C. Galande, A. D. Mohite, A. V. Naumov, W. Gao, L. Ci, A. Ajayan,H.Gao,A.Srivastava,R.B.Weisman,P.M.Ajayan//Sci. Rep. − 2011. − V. 1 − P. 85.
22. Min Fu. Vapor diffusion synthesis of CoFe2O4 hollow sphere/graphene composites as absorbing materials / Min Fu, Qingze Jiao, Yun Zhao, Hansheng Li // J. Mater. Chem. A. − 2014. − V. 2. − P. 735—744.
23. Nemanich,R.J.Ramanscatteringcharacterizationofcarbon bonding in diamond and diamondlike thin films / R. J. Nemanich, J. T. Glass, G. Lucovsky, R. E. Shroder // J. Vac. Sci. Thechnol. A6. − 1988. − V. 3. − P. 1783—1787.
24. Knight,D.S.CharacterizationofdiamondfilmsbyRaman spectroscopy/D.S.Knight,W.B.White//J.Mater.Res.−1989.−V. 4, iss. 2. − P. 385—393.
25. Pimenta, M. A. Studying disorder in graphite−based systems by Raman spectroscopy / M. A. Pimenta, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, L. G. Cancado, A. Jorio, R. Saito // Phys. Chem. Chem. Phys. − 2007. − V. 9. − P. 1276—1291.
26. Cancado, L. G. Influence of the atomic structure on the raman spectra of graphite edges / L. G. Cancado, M. A. Pimenta, B. R. A. Neves, M. S. S. Dantas, A. Jorio // Phys. Rev. Lett. − 2004. − V. 93. − P. 247401.
27. Hong,S.Dielectrophoreticdepositionofgraphiteoxidesoot particles / S. Hong, S. Jung, S. Kang, Y. Kim, X. Chen, S. Stankovich, S. R. Ruoff, S. Baik // J. Nanosci. Nanotechnol. − 2008. − V. 8, N 1. − P. 424—427.
28. Wang,G.Facilesynthesisandcharacterizationofgraphene nanosheets / G. Wang, J. Yang, J. Park, X. Gou, B. Wang, H. Liu, J. Yao // J. Phys. Chem. C. − 2008. − V. 112, N 22. − P. 8192—8195.
29. Matsumoto, Y. Simple photoreduction of graphene oxide nanosheet under mild conditions / Y. Matsumoto, M. Koinuma, S. Y. Kim, Y. Watanabe, T. Taniguchi, K. Hatakeyama, H. Takiishi, S. Ida // Appl. Mater. Interfaces. − 2010. − V. 2, N 12. − P. 3461—3466.
30. Stankovich, S. Synthesis of graphene−based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide / S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. B. T. Nguen, S. R. Ruoff // Carbon. − 2007. − V. 45. − P. 1558—1565.
31. Sreeprasad, T. S. Tellurium nanowire−induced room temperature conversion of graphite oxide to leaf−like graphenic structures / T. S. Sreeprasad, A. K. Samal, T. Pradeep // J. Phys. Chem. C. − 2009. − V. 113, N 5. − P. 1727—1737.
32. Kudin, K. N. Raman spectra of graphite oxide and functionalized graphene sheets / K. N. Kudin, B. Ozbas, H. C. Schniepp, R. K. Prud’homme, I. A. Aksay, R. Car // Nano Lett. − 2008. − V. 8, N 1. − P. 36—41.
33. Shulga, Y. M. Composite material for supercapacitors formed by polymerization of aniline in the presence of graphene oxide nanosheets / Y. M. Shulga, S. A. Baskakov, V. V. Abalyaeva, O. N. Efimov, N. Y. Shulga, A. Michtchenko, L. Lartundo−Rojas, L. A. Moreno−R, J. G. Cabañas−Moreno, V. N. Vasilets // J. Power Sources. − 2013. − V. 224. − P. 195—201.
34. Shulga, Y. M. Gaseous products of thermo− and photo− reduction of graphite oxide / Y. M. Shulga, V. M. Martynenko, V. E. Muradyan, V. A. Smirnov, G. L. Gutsev // Chem. Phys. Lett. − 2010. − V. 498. − P. 287—291.
35. Gómez−Navarro, C. Electronic transport properties of individual chemically reduced graphene oxide sheets / C. Gómez− Navarro, R. T. Weitz, A. M. Bittner, M. Scolari, A. Mews, M. Burghard, K. Kern // Nano Lett. − 2007. − V. 7, N 11. − P. 3499—3503.
36. Алексенский, А. Е. Однослойные пленки оксида графена на поверхности кремния / А. Е. Алексенский, П. Н. Брунков, А. Т. Дидейкин, Д. А. Кириленко, Ю. В. Кудашова, Д. А. Саксеев, В. А. Севрюк, М. С. Шестаков // Журн. техн. физики. − 2013. − T. 83, вып. 11. − C. 67—71.
37. Smirnov, V. A. Conductivity of graphene oxide films: dependence from solvents and photoreduction / V. A. Smirnov, N. N. Denisov, A. E. Ukshe, Y. M. Shulga // Chem. Phys. Lett. − 2013. − V. 583. − P. 155—159.
38. Sun, X. Nano−graphene oxide for cellular imaging and drug delivery / X. Sun, Z. Liu, K. Welsher, J. T. Robinson, A. Goodwin, S. Zaric, H. Dai // Nano Research. − 2008. − V. 1, N 3. − P. 203—212.
39. Hudson, M. J. Electrochemically prepared colloidal, oxidised graphite / M. J. Hudson, F. R. Hunter−Fujita, J. W. Peckett, P. M. Smith // J. Mater. Chem. − 1997. − V. 7, N 2. − P. 301—305.
40. Stankovich, S. Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly(sodium 4−styrenesulfonate) / S. Stankovich, R. D. Piner, X. Chen, N. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff // J. Mater. Chem. − 2006. − V. 16. − P. 155—158.
41. Reed, B. W. Electronic properties of carbon nanotubes by transmission electron energy−loss spectroscopy / B. W. Reed, M. Sarikaya // Phys. Rev. B. − 2001. − V. 64. − P. 195404.
42. Attal, S. Determination of the concentration of single− walled carbon nanotubes in aqueous dispersions using UV−visible absorption spectroscopy / S. Attal, R. Thiruvengadathan, O. Regev // Analy. Chem. − 2006. − V. 78. − P. 8098—8104.
43. McAllister, M. J. Single sheet functionalized graphene by oxidation and thermal expansion of graphite / M. J. McAllister, J.−L. Li, D. H. Adamson, H. C. Schniepp, A. A. Abdala, J. Liu, M. Herrera−Alonso, D. L. Milius, R. Car, R. K. Prud’homme, I. A. Aksay // Chem. Mater. − 2007. − V. 19. − Р. 4396—4404.
44. Cote, L. J. Flash reduction and patterning of graphite oxide and its polymer composite / L. J. Cote, R. Cruz−Silva, J. Huang // J. Amer. Chem. Soc. − 2009. − V. 131 − P. 11027.
45. Yong−LaiZhang.Photoreductionofgrapheneoxides:methods, properties and applications / Yong−Lai Zhang, Li Guo, Hong Xia, Qi−Dai Chen, Jing Feng, Hong−Bo Sun // Adv. Optical Mater. − 2014. − N 2. − Р. 10—28.
46. Denisov, N. N. Graphene oxide films: photochemistry and electroconductivity/ N. N. Denisov, V. A. Smirnov, Y. M. Shulga // Graphene oxide: synthesis, mechanical properties and applications − Nova Sci. Publ, 2014.
47. Шульга, Ю. М. Восстановление нанолистов оксида графита вакуумным ультрафиолетовым излучением / Ю. М. Шульга, В. Н. Василец, С. А. Баскаков, В. Е. Мурадян, Е. А. Скрылева, Ю. Н. Пархоменко // Химия высоких энергий. − 2012. − T. 46, No 2. − C. 160—164.
48. Szabo, T. Evolution of surface functional groups in a series of progressively oxidized graphite oxides / T. Szabo, O. Berkesi, P. Forgo, K. Josepovits, Y. Sanakis, D. Petridis, I. Dekany // Chem. Mater. − 2006. − V. 18. − P. 2740—2749.
49. Lomeda, J. R. Diazonium functionalization of surfactant− wrapped chemically converted graphene sheets / J. R. Lomeda, C. D. Doyle, D. V. Kosynkin, W.−F. Hwang, J. M. Tour // J. Amer. Chem. Soc. − 2008. − V. 130. − P. 16201.
50. Xu, C. Graphene−metal particle nanocomposites / C. Xu, X. Wang, J. Zhu // J. Phys. Chem. C. − 2008. − V. 112. − P. 19841— 19845.
51. Park, S. Graphene oxide papers modified by divalent ions−enhancing mechanical properties via chemical cross−linking / S. Park, K.−S. Lee, G. Bozoklu, W. Cai, S. B. T. Nguyen, R. S. Ruoff // ACS Nano. − 2008. − V. 2, N 3. − P. 572—578.
52. Paredes,J.I.Atomicforceandscanningtunnelingmicroscopy imaging of graphene nanosheets derived from graphite oxide / J. I. Paredes, S. Villar−Rodil, P. Solıs−Fernandez, A. Martinez−Alonso, J. M. D. Tascon // Langmuir. − 2009. − V. 25, N 10. − P. 5957—5968.
53. Shan, C. Direct electrochemistry of glucose oxidase and biosensing for glucose based on graphene / C. Shan, H. Yang, J. Song, D. Han, A. Ivaska, L. Niu // Anal. Chem. − 2009. − V. 81. − P. 2378— 2382.
54. Shulga, Y. M. Reflection electron energy−loss spectra of the fullerenes C60 and C70 / Y. M. Shulga, V. I. Rubtsov, A. S. Lobach // Zeitschrift für Physik B: Condensed Matter. − 1994. − V. 93, N 3. − P. 327—331.
55. Smirnov, V. A. Photoreduction of graphite oxide at different temperatures / V. A. Smirnov, Yu. M. Shul’ga, N. N. Denisov, E. I. Kresova, N. Yu. Shul’ga // Nanotechnologies in Russia. − 2012. − V. 7, N 3–4. − P. 156—163.
56. Patil, A. J. Aqueous stabilization and self−assembly of graphene sheets into layered bio−nanocomposites using DNA / A. J. Patil, J. L. Vickery, T. B. Scott, S. Mann // Adv. Mater. − 2009. − V. 21. − P. 3159—3164.
57. Грайфер, Е. Д. Графен: химические подходы к синтезу и модифицированию / Е. Д. Грайфер, В. Г. Макотченко, А. С. Назаров, С.−Дж. Ким, В. Е. Федотов // Успехи химии. − 2011. − T. 80, No 8. − C. 784—804.
58. Park,S.Aqueoussuspensionandcharacterizationofchemically modified graphene sheets / S. Park, J. An, R. D. Piner, I. Jung, D. Yang, A. Velamakanni, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff // Chem. Mater. − 2008. − V. 20. − P. 6592—6594.
59. Fernández−Merino, M. J. Vitamin C is an ideal substitute for hydrazine in the reduction of graphene oxide suspensions / M. J. Fernández−Merino, L. Guardia, J. I. Paredes, S. Villar−Rodil, P. Solís−Fernández, A. Martínez−Alonso, J. M. D. Tascón // J. Phys. Chem. C. − 2010. − V. 114, N 14. − P. 6426—6432.
Рецензия
Для цитирования:
Шульга Ю.М., Шульга Н.Ю., Пархоменко Ю.Н. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ, ВОССТАНОВЛЕННЫЕ ИЗ ОКСИДА ГРАФИТА, КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2014;(3):157-167. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2014-3-157-167
For citation:
Shulga Yu.M., Shulga N.Yu., Parkhomenko Yu.N. Carbon Nanostructures Reduced From Graphite Oxide as Electrode Materials for Supercapacitors. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2014;(3):157-167. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2014-3-157-167
Просмотров:
2475
Послать статью по эл. почте 