Preview

Journal of Advanced Materials and Technologies

Расширенный поиск

Влияние природы дисперсионной среды на термодинамические параметры эксфолиации природного графита для получения графеновых препаратов

https://doi.org/10.17277/jamt.2023.01.pp.021-029

Аннотация

   На основе экспериментальных данных по краевым углам смачивания пленок малослойных графеновых частиц, полученных методом прямой жидкофазной эксфолиации, рассчитано значение их поверхностной энергии. Расчет свободных энергий смешения проведен прямым методом из данных по поверхностным натяжениям различных дисперсионных сред и их температурным коэффициентам, а также с использованием параметров Хансена для нахождения констант Флори–Хаггинса. Несмотря на количественные отличия в полученных значениях свободных энергий смешения, рассчитанных различными методами, принципиально показано, что дисперсные системы на основе малослойных графеновых частиц являются лиофобными, причем значения свободных энергий смешения для этиленгликоля, диэтиленгликоля и N-метилпирролидона оказались близкими и принципиально более низкими по сравнению с водой. Для суспензий в этиленгликоле проведена оценка структуры получаемых препаратов методами просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Показана перспективность использования многоатомных спиртов в качестве среды для проведения диспергирования и эксфолиации природного графита с получением графеновых препаратов с точки зрения структуры получаемых частиц, смачивания и высокой способности к стабилизации свободной поверхности графена при низких значениях свободной энергии смешения. Вычисленные значения термодинамических функций могут быть использованы при разработке новых методов получения графена, основанных на непосредственном расслоении и стабилизации получаемой свободной поверхности.

Об авторах

Е. А. Данилов
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Егор Андреевич Данилов, начальник лаборатории

111524; ул. Электродная, д. 2, стр. 1; Москва



В. М. Самойлов
АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит»
Россия

Владимир Маркович Самойлов, доктор технических наук, главный научный
сотрудник

111524; ул. Электродная, д. 2, стр. 1; Москва



Список литературы

1. Xu Y, Cao H, XueY, Li B, Cai W. Liquid-phase exfoliation of graphene : an overview on exfoliation media, techniques and challenges. Nanomaterials. 2018;8:942. DOI: 10.3390/nano8110942

2. Novoselov KS, Falko VL, Colombo L, Gellert PR, Schwab MG, KimK. A roadmap for graphene. Nature. 2012;490(7419):192-200. DOI: 10.1038/nature11458

3. Yi M, Shen Z. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. Journal of Materials Chemistry A. 2015;3(22):11700-11715. DOI: 10.1039/C5TA00252D

4. Fernandes J, Nemala SS, Bellis DG, Capasso A. Green solvents for the liquid phase exfoliation production of graphene: the promising case of cyrene. Frontiers in Chemistry. 2022;10:878799. DOI: 10.3389/fchem.2022.878799

5. Hernandez Y, Nicolosi V, Lotya M, Blighe FM, Sun Z et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nature Nanotechnology. 2008;3:563-568. DOI: 10.1038/nnano.2008.215

6. Guardia L, Fernández-Merino MJ, Paredes JI, Solís-Fernández P, Villar-Rodil S et al. High-throughput production of pristine graphene in an aqueous dispersion assisted by non-ionic surfactants. Carbon. 2011;49(5):1653-1662. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.12.049

7. Buzaglo M, Shtein M, Kober S, Lovrincic R, Vilan A et al. Critical parameters in exfoliating graphite into graphene. Physical Chemistry Chemical Physics. 2013;15:4428-4435. DOI: 10.1039/C3CP43205J

8. Gayathri S, Jayabal P, Kottaisamy M, Ramakrishnan V. Synthesis of few layer graphene by direct exfoliation of graphite and a Raman spectroscopic study. AIP Advances 4. 2014;027116. DOI: 10.1063/1.4866595

9. Stafford J, Patapas A, Uzo N, Matar O, Petit C. Towards scale-up of graphene production via nonoxidizing liquid exfoliation methods. AIChE Journal. 2018;64(9):3246-3246. DOI: 10.1002/aic.16174

10. Amiri A, Naraghi M, Ahmadi G, Soleymaniha M, Shanbedi M. A review on liquid-phase exfoliation for scalable production of pure graphene, wrinkled, crumpled and functionalized graphene and challenges. Flat Chem. 2018;8:40-71. DOI: 10.1016/j.flatc.2018.03.004

11. Gülera Ö, Tekelia M, Taşkına M, Gülera SH, Yahia IS. The production of graphene by direct liquid phase exfoliation of graphite at moderate sonication power by using low boiling liquid media: The effect of liquid media on yield and optimization. Ceramics International. 2020;47(1):521-533. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.08.159

12. Khan U, Porwal H, O’Neill A, Nawaz K, May P et al. Solvent-exfoliated graphene at extremely high concentration. Langmuir. 2011;27:9077-9082. DOI: 10.1021/la201797h

13. Khan U, O’Neill A, Lotya M, De S, Coleman JN. High-concentration solvent exfoliation of graphene. Small. 2010;6(7):864-871. DOI: 10.1002/smll.200902066

14. Arifutzzaman A, Ismail AF, Yaacob II, Alam MZ, Khan AA. Experimental investigation of concentration yields of liquid phase exfoliated graphene in organic solvent media. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;488:012001. DOI: 10.1088/1757-899X/488/1/012001

15. Hernandez Y, Lotya M, Rickard D, Bergin SD, Coleman JN. Measurement of multicomponent solubility parameters for graphene facilitates solvent discovery. Langmuir. 2010;26(5):3208-3213. DOI: 10.1021/la903188a

16. Gomez CV, Guevara M, Tene T, Villamagua L, Usca GT et al. The liquid exfoliation of graphene in polar solvents. Applied Surface Science. 2021;546:149046. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.149046

17. Li J, Ye F, Vaziri S, Muhammed M, Lemme MC, Östling M. A Simple route towards high-concentration surfactant-free graphene dispersions. Carbon. 2012;50(8):3113-3116. DOI: 10.1016/j.carbon.2012.03.011

18. Paton KR, Varrla E, Backes C, Smith RJ, Khan U. Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids. Nature Materials. 2014;13:624-630. DOI: 10.1038/nmat3944

19. Lavin-Lopez MP, Valverde JL, Sanchez-Silva L, Romero A. Solvent-based exfoliation via sonication of graphitic materials for graphene manufacture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2016;55:845-855. DOI: 10.1021/ACS.IECR.5B03502

20. Sun X, Sun H, Li H, Peng H. Developing polymer composite materials: carbon nanotubes or graphene. Advanced Materials. 2013;25:5153-5176. DOI: 10.1002/adma.201301926

21. Haar S, El Gemayel M, Shin Y, Melinte G, Squillaci MA. Enhancing the liquid-phase exfoliation of graphene in organic solvents upon addition of n-octylbenzene. Scientific Reports. 2015;5(1):1-9. DOI: 10.1038/srep16684

22. Backes C, Abdelkader AM, Alonso C, Andrieux-Ledier A, Arenal R et al. Production and processing of graphene and related materials. 2D Materials. 2020;7:022001. DOI: 10.1088/2053-1583/ab1e0a

23. Bergin SD, Nicolosi V, Streich PV, Giordani S, Sun Z et al. Towards solutions of single-walled carbon nanotubes in common solvents. Advanced Materials. 2008;20:1876-188. DOI: 10.1002/adma.200702451

24. Hansen CM, Smith AL. Using Hansen solubility parameters to correlate solubility of C60 fullerene in organic solvents and in polymers. Carbon. 2004;42:1591-1597. DOI: 10.1016/j.carbon.2004.02.011

25. Coleman JN. Liquid exfoliation of defect-free graphene. Accounts of Chemical Research. 2013;46(1): 14-22. DOI: 10.1021/ar300009f

26. Schukin ED, Pertzov AV, Amelina EA. Colloidal Chemistry. Moscow: Visshaya Shkola; 2004. 445 p. (In Russ.)

27. Azizian S, Hemmati M. Surface tension of binary mixtures of ethanol+ ethylene glycol from 20 to 50° C. Journal of Chemical &Engineering Data. 2003;48(3):662-663. DOI: 10.1021/je025639s

28. Li L, Zhang J, Li Q, Guo B. Density, viscosity, surface tension, and spectroscopic properties for binary system of 1,2-ethanediamine+diethylene glycol. Thermochimica Acta. 2014;590:91-99. DOI: 10.1016/j.tca.2014.05.034

29. Diasio MA, Green DL. The effect of solvent viscosity on production of few-layer graphene from liquid-phase exfoliation of graphite. MRS Advances. 2019;4(3-4):241-247. DOI: 10.1557/adv.2019.13

30. Danilov EA, Samoilov VM, Kalyakin TS, Shahnazarova AB, Nakhodnova AV. Properties of few-layered graphene particles’ suspensions manufactured via direct exfoliation of natural graphite in polyatomic alcohols. Sorbtsionniye i Khromatograficheskiye protsessy. 2022;22(4):115-121. DOI: 10.17308/sorpchrom.2022.22/10591 (In Russ.)

31. May P, Khan U, Hughes JM, Coleman JN. Role of solubility parameters in understanding the steric stabilization of exfoliated two-dimensional nanosheets by adsorbed polymers. Journal of Physical Chemistry. 2012;116:11393-11400. DOI: 10.1021/jp302365w

32. Bergin SD, Sun Z, Rickard D, Streich PV et al. Multicomponent solubility parameters for single-walled carbon nanotube solvent mixtures. ACS Nano. 2009;3(8):2340-2351. DOI: 10.1021/nn900493u

33. Cui X, Zhang C, Hao R, Hou Y. Liquid-phase exfoliation, functionalization and applications of graphene. Nanoscale. 2011;3:2118. DOI: 10.1039/c1nr10127g

34. Segrè PN, Prasad V, Schofield AB, Weitz DA. Glasslike kinetic arrest at the colloidal-gelation transition. Physical Review Letters. 2001;86:6042-6045. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.6042

35. Songping M, Shao X, Chen Y, Cheng Z. Increasing entropy for colloidal stabilization. Scientific Reports. 2016;6(1):36836. DOI: 10.1038/srep36836

36. Donald A, Windle AH, Hanna S. Liquid Crystalline Polymers. Cambridge: Cambridge University Press; 2006. 589 p. DOI: 10.1017/CBO9780511616044

37. Ferguson A, Harvey A, Godwin IJ, Bergin SD, Coleman JN. The dependence of the measured surface energy of graphene on nanosheet size. 2D Materials. 2017;4:015040. DOI:10.1088/2053-1583/aa50c0

38. Wang S, Zhang Y, Abidi N, Cabrales L. Wettability and surface free energy of graphene films. Langmuir. 2009;25(18):11078-11081. DOI: 10.1021/la901402f

39. Li D, Neumann AW. Equilibrium of capillary systems with an elastic liquid-vapor interface. Langmuir. 1993;9(1):50-54. DOI: 10.1021/la00025a014

40. Li D, Neumann AW. Contact angles on hydrophobic solid surfaces and their interpretation. Journal of Colloid and Interface Science. 1992;148(1):190-200. DOI: 10.1016/0021-9797(92)90127-8

41. Surface tension values of some common test liquids for surface energy analysis. Available from: https://www.dataphysics-instruments.com/Downloads/Surface-Tensions-Energies.pdf [Accessed 26 January 2023].

42. Hansen CM. Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook. New York: CRC Press; 2007. 544 p. DOI: 10.1201/9781420006834

43. Hansen Solubility Parameters. Available from: https://www.hansen-solubility.com/HSPiP/datasets.php [Accessed 25 January 2023].


Рецензия

Для цитирования:


Данилов Е.А., Самойлов В.М. Влияние природы дисперсионной среды на термодинамические параметры эксфолиации природного графита для получения графеновых препаратов. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(1):21-29. https://doi.org/10.17277/jamt.2023.01.pp.021-029

For citation:


Danilov E.A., Samoilov V.M. Influence of dispersion medium on thermodynamic parameters of natural graphite exfoliation for manufacturing graphene-based suspensions. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(1):21-29. https://doi.org/10.17277/jamt.2023.01.pp.021-029

Просмотров: 86

JATS XML


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-2192 (Print)
ISSN 2782-2206 (Online)