ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

У представленій роботі показано, що полівінілпіролідон (ПВП) є придатним органічним розчинником для механічного відлущування кристалічного графіту до графену у водному розчині з допомогою кухонного блендера. Морфологічні, структурні та оптичні властивості зразків графену охарактеризовано методами скануючої електронної мікроскопії, спектроскопії комбінаційного розсіювання світла (КРС) та оптичного пропускання. Скануюча електронна мікроскопія виявила складчасту морфологію графенових пластівців з товщиною ~4 нм. Результати дослідження зразків методом КРС, виявили високоякісний графен з низьким рівнем дефектів після процесу відлущування у водному розчині графіт/ПВП. Смуга G при ~1582 см⁻¹ на спектрах КРС пов’язана з валентними коливаннями атомів карбону. Розширення смуги G не спостерігається, що вказує на відсутність дефектів базальної площини в структурі графену, які можуть бути внесені під час розшарування графену шляхом механічного відлущування. Співвідношення інтенсивності 2D і G-смуг, що дорівнює 1.66 (I_2D/I_G > 1), значення повної ширини на половині максимуму   2D-смуги становить 79.88 см^–1, що вказує на структуру графену з невеликою кількістю шарів. Кількість дефектів характерних для базисної площини, ідентифікована за співвідношенням інтенсивності смуг D і G, I_D/I_G, становить 0.18, що значно нижче, ніж для оксиду графену (> 1) та диспергованого ультразвуком графену (~ 0.6). Водні дисперсії графену, досліджені за допомогою оптичного пропускання, характеризуються мінімумом пропускання при 270 нм, що пояснюється π→π* переходами ароматичних зв’язків C–C у графені. Мінімум оптичного пропускання та загальні високі значення зменшення пропускання, що спостерігаються в діапазоні 270÷800 нм, переконливо свідчать про наявність двовимірного матеріалу в дисперсії, таким чином підтверджуючи успішне розшарування графіту до графену в водному розчині ПВП.

Було показано простий та екологічно безпечний метод отримання високоякісного графену з використанням кухонного блендерa і органічного розчинника полівінілпіролідону як нетоксичного диспергатора.

Bhopal M.F., Lee D.W., Rehman A.U., Lee S.H. Past and future of graphene/silicon heterojunction solar cells: a review. J. Mater. Chem. C. 2017. 5(41): 10701. https://doi.org/10.1039/C7TC03060F

Nayak P.K. Pulsed-grown graphene for flexible transparent conductors. Nanoscale Adv. 2019. 1(3): 1215. https://doi.org/10.1039/C8NA00181B

Rouzafzay F., Shidpour R., Al-Abri M.Z.M., Qaderi F., Ahmadi A., Myint M.T.Z. Graphene-ZnO nanocompound for short-time water treatment under sun-simulated irradiation: Effect of sheare xfoliation of graphene using kitchen blender on photocatalytic degradation. J. Alloys Compd. 2020. 829: 154614. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154614

Yi M., Shen Z., Zhang X., Ma S. Achieving concentrated graphene dispersions in water/acetone mixtures by the strategy of tailoring Hansen solubility parameters. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. 46(2): 025301. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/2/025301

Varrla E., Paton K.R., Backes C., Harvey A., Smith R.J., McCauleyac J., Coleman J.N. Turbulence-assisted shear exfoliation of graphene using household detergent and a kitchen blender. Nanoscale. 2014. 6(20): 11810. https://doi.org/10.1039/C4NR03560G

Yi M., Shen Z. Kitchen blender for producing high-quality few-layer graphene. Carbon. 2014. 78: 622. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.07.035

Kumar C.V., Pattammattel A. Biographene: direct exfoliation of graphite in a kitchen blender for enzymology applications. Methods Enzymol. 2016. 571(11): 226.

Hernandez Y., Nicolosi V., Lotya M., Blighe F.M., Sun Zh., De S., McGovern I.T., Holland B., Byrne M., Gun'ko Yu.K., Boland J.J., Niraj P., Duesberg G., Krishnamurthy S., Goodhue R., Hutchison J., Scardaci V., Ferrari A.C., Coleman J.N. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nat. Nanotechnol. 2008. 3: 563. https://doi.org/10.1038/nnano.2008.215

Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N., Novoselov K.S., Booth T.J., Stauber T., Peres N.M.R., Geim A.K. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science. 2008. 320(5881): 1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965

Biswas R. Modeling the liquid phase exfoliation of graphene in polar and nonpolar solvents. Biointerface Res. Appl. Chem. 2022. 12(6): 7404. https://doi.org/10.33263/BRIAC126.74047415

O'Connell M.J., Boul P., Ericson L.M., Huffman C., Wang Y., Haroz E., Smalley R.E. Reversible water-solubilization of single-walled carbon nanotubes by polymer wrapping. Chem. Phys. Lett. 2001. 342(3-4): 265. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00490-0

Mohamed M., Tripathy M., Majeed A.A. Studies on the thermodynamics and solute-solvent interaction of Polyvinylpyrrolidone wrapped single walled carbon nanotubes (PVP-SWNTs) in water over temperature range 298.15-313.15 K. Arabian J. Chem. 2013. 10(2): 1726. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2013.06.022

Phiri J., Gane P., Maloney T.C. High-concentration shear-exfoliated colloidal dispersion of surfactant-polymer-stabilized few-layer graphene sheets. J. Mater.Sci. 2017. 52: 8321. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1049-y

Ferrari A.C., Basko D.M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nat. Nanotechnol.. 2013. 8: 235. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.46

Ferrari A.C., Meyer J.C., Scardaci V., Casiraghi C., Lazzeri M., Mauri F., Piscanec S., Jiang D., Novoselov K.S., Roth S., Geim A.K. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Phys. Rev. Lett. 2006. 97: 187401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.187401

Green A.A., Hersam M.C. Solution phase production of graphene with controlled thickness via density differentiation. Nano Lett. 2009. 9(12): 4031. https://doi.org/10.1021/nl902200b

Hao Y., Wang Y., Wang L., Ni Z., Wang Z., Wang R., Koo C.K., Shen Z., Thong J.T.L. Probing layer number and stacking order of few-layer graphene by Raman Spectroscopy. Small Nano Micro. 2010. 6(2): 195. https://doi.org/10.1002/smll.200901173

Tuinstra F., Koenig J.L. Raman spectrum of graphite. J. Chem. Phys. 1970. 53: 1126. https://doi.org/10.1063/1.1674108

Stankovich S., Dikin D.A., Piner R.D., Kohlhaas K.A., Kleinhammes A., Jia Y., Wu Y., Nguyen S.T., Ruoff R.S. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon. 2007. 45: 1558. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.02.034

Guardia L., Fernandez-Merino M.J., Paredes J.I., Solıs-Fernandez P., Villar-Rodil S., Martınez-Alonso A., Tasco'n J.M.D. High-throughput production of pristine graphene in an aqueous dispersion assisted by non-ionic surfactants. Carbon. 2011. 49(5): 1653. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.12.049

Yukhymchuk V.O., Valakh M.Y., Hreshchuk O.M., Havrylyuk Y.O., Yanchuk I.B., Yefanov A.V., Arif R.N., Rozhin A.G., Skoryk M.A. Properties of graphene flakes obtained by treating graphite with ultrasound. Ukr. J. Phys. 2018. 62(5): 432.

Wang X., Zhi L., Tsao N., Tomovic Z., Li J., Mullen K. Transparent carbon films as electrodes in organic solar cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2008. 47(16): 2990. https://doi.org/10.1002/anie.200704909