Влияние органических растворителей на морфологию оксида графита, синтезированного по методу Хаммерса

Целью проведенного исследования являлось изучение воздействия различных растворителей на структурные характеристики оксида графита. Оксид графита был синтезирован с применением модифицированного метода Хаммерса. Полученные образцы оксида графита были высушены методами термической обработки и сублимации. Для характеристики образцов использовали результаты рентгенофазового анализа, инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, динамического светорассеяния и фотонно-корреляционной спектроскопии. Количество кислородсодержащих групп оксида графита определяли из результатов титрования по Боэму. Согласно данным рентгенофазового анализа, использование изопропилового спирта в процессе промывки позволяет достичь более эффективной очистки продукта от примесей непрореагировавшего графита и восстановленного оксида графита по сравнению с традиционным применением дистиллированной воды. Были выявлены существенные различия в размерах частиц полученных образцов. Наибольший размер агломератов в водных растворах характерен для оксида графита, промытого изопропиловым спиртом (6,5 мкм), а наименьший – для оксида графита, промытого диметилсульфоксидом (1,2 мкм). Согласно результатам титрования по Боэму, образец оксида графита, промытый изопропиловым спиртом, имеет наибольшее количество карбоксильных и лактонных групп по сравнению с другими образцами, что согласуется с данными ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии. Использование разных промывающих растворителей дает возможность получить оксид графита разной морфологии, что может быть полезным для получения материалов с различными механическими и сорбционными свойствами. Полученные результаты дают основание предполагать, что изопропиловый спирт может стать перспективной заменой воде на стадии промывки оксида графита. Его применение может открыть новые возможности для оптимизации технологического процесса получения оксида графита и его функционализации.

1. Cao Z., Quintano V., Joshi R. Covalent functionalization of graphene oxide // Carbon Reports. 2023. Vol. 2, no. 4. P. 199–205. DOI: 10.7209/carbon.020401.

2. Kuila T, Bose S., Mishra A.K., Khanra P., Kim N.H., Lee J.H. Chemical functionalization of graphene and its applications // Progress in Materials Science. 2012. Vol. 57. P. 1061–1105. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2012.03.002.

3. Georgakilas V., Tiwari J.N., Kemp K.C., Perman J.A., Bourlinos A.B., Kim K.S., et al. Noncovalent functionalization of graphene and graphene oxide for energy materials, biosensing, catalytic, and biomedical applications // Chemical Reviews. 2016. Vol. 116, no. 9. P. 5464–5519. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00620.

4. Yan Q.-L., Cohen A., Petrutik N., Shlomovich A., Burstein L., Pang S.-P., Gozin M. Highly insensitive and thermostable energetic coordination nanomaterials based on functionalized graphene oxides // Journal of Materials Chemistry A. 2016. Vol. 4, no. 25. P. 9941–9948. DOI: 10.1039/c6ta03510h.

5. Huang G., Chen Z., Li M., Yang B., Xin M., Li S., Yin Z. Surface functional modification of graphene and graphene oxide // Acta Chimica Sinica. 2016. Vol. 74, no. 10. P. 789–799. DOI: 10.6023/A16070360.

6. Yu W., Sisi L., Haiyan Y., Jie L. Progress in the functional modification of graphene/graphene oxide: a review // RSC Advances. 2020. Vol. 10, no. 26. P. 15328–15345. DOI: 10.1039/D0RA01068E.

7. Dimiev A., Kosynkin D.V., Alemany L.B., Chaguine P., Tour J.M. Pristine graphite oxide // Journal of the American Chemical Society. 2012. Vol. 134, no. 5. P. 2815–2822. DOI: 10.1021/ja211531y.

8. Панина Л.В., Ефимова О.С., Попова А.Н., Исмагилов З.Р. Влияние условий сушки на структурные характеристики пленок оксида графена, полученных из пенографита // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2021. N 6. С. 5–12. DOI: 10.26730/1999-4125-2021-6-5-12. EDN: JEAAIY.

9. Zaaba N.I., Foo K.L., Hashim U., Tan S.J., Liu W.W., Voon C.H. Synthesis of graphene oxide using modified hummers method: solvent influence // Procedia Engineering. 2017. Vol. 184. P. 469–477. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.04.118.

10. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of graphitic oxide // Journal of the American Chemical Society. 1958. Vol. 80, no. 6. P. 1339. DOI: 10.1021/ja01539a017.

11. Алемасова Н.В., Сухова С.Р., Кравченко В.В., Зозуля М.А., Прокофьева Л.А., Бурховецкий В.В. [и др.]. Влияние ультразвукa на структуру восстановленного тиомочевиной оксида графита // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2020. N 12. С. 765–774. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.765. EDN: KKHTHZ.

12. Dimiev A.M., Tour J.M. Mechanism of graphene oxide formation // ACS Nano. 2014. Vol. 8, no. 3. P. 3060–3068. DOI: 10.1021/nn500606a.

13. Kachala V.V., Khemchyan L.L., Kashin A.S., Orlov N.V., Grachev A.A., Zalesskiy S.S., Ananikov V.P. Target-oriented analysis of gaseous, liquid and solid chemical systems by mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy and electron microscopy // Russian Chemical Reviews. 2013. Vol. 82, no. 7. P. 648–685. DOI: 10.1070/RC2013v082n07ABEH004413. EDN: RFQAND.

14. Kashin A.S., Ananikov V.P. A SEM study of nanosized metal films and metal nanoparticles obtained by magnetron sputtering // Russian Chemical Bulletin. 2011. Vol. 60. P. 2602–2607. DOI: 10.1007/s11172-011-0399-x.

15. Петренко Д.Б. Модифицированный метод Боэма для определения гидроксильных групп в углеродных нанотрубках // Вестник Московского государственного областного университета. 2012. N 1. С. 157–160. EDN: OQOVZT.

16. Schönherr J., Buchheim J.R., Scholz P., Adelhelm P. Boehm titration revisited (part I): Practical aspects for achieving a high precision in quantifying oxygen-containing surface groups on carbon materials // C – Journal of Carbon Research. 2018. Vol. 4, no. 2. P. 21. DOI: 10.3390/c4020021.

17. Schönherr J., Buchheim J.R., Scholz P., Adelhelm P. Boehm titration revisited (part II): Practical aspects for achieving a high precision in quantifying oxygen-containing surface groups on carbon materials // C – Journal of Carbon Research. 2018. Vol. 4, no. 2. P. 22. DOI: 10.3390/c4020022.

18. Stobinski L., Lesiak B., Malolepszy A., Mazurkiewicz M., Mierzwa B., Zemek J., et al. Graphene oxide and reduced graphene oxide studied by the XRD, TEM and electron spectroscopy methods // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomenon. 2014. Vol. 195. P. 145–154. DOI: 10.1016/j.elspec.2014.07.003.

19. Lai Q., Zhu S., Luo X., Zou M., Huang S. Ultraviolet-visible spectroscopy of graphene oxides // AIP Advances. 2012. Vol. 2, no. 3. P. 032146. DOI: 10.1063/1.4747817.

20. Aluker N.L., Lavrentieva A.L., Suzdaltseva Y.M. Direct optical research methods in the analytics of phenol // Optics and Spectroscopy. 2020. Vol. 128, no. 3. P. 422–428. DOI: 10.1134/S0030400X20030042. EDN: GPGGIF.

21. Brusko V., Khannanov A., Rakhmatullin A., Dimiev A.M. Unraveling the infrared spectrum of graphene oxide // Carbon. 2024. Vol. 229. P. 119507. DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119507.