Механохімічний спосіб одержання оксиду графену

Реферат: Спосіб одержання оксиду графену включає механохімічну обробку суміші графіту та твердого окисника у відсутності агресивних концентрованих кислот, видалення продуктів відновлення окисника, сушіння, ультразвукове диспергування та центрифугування. UA 71602 U (54) МЕХАНОХІМІЧНИЙ СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ОКСИДУ ГРАФЕНУ UA 71602 U UA 71602 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів одержання оксиду графену, який може мати широке застосування в електронних, оптоелектронних та сенсорних пристроях, хімічних джерелах струму, композитних матеріалах тощо завдяки своїм електронним та оптичним властивостям. Відомо спосіб одержання оксиду графену шляхом ультразвукового диспергування у воді оксиду графіту, одержаного за допомогою хімічного способу, з наступним видаленням крупних частинок за допомогою центрифугування одержаної дисперсії [A. Zhamu, J. Shi, J. Guo, Β.Ζ. Jang. "Method of producing exfoliated graphite, flexible graphite, and nano-scaled graphene platelets", US Patent 7824651]. Відомий хімічний спосіб одержання оксиду графіту [Hummers, W. S.; Offeman, R. E. "Preparation of Graphitic Oxide", J. Am. Chem. Soc, 1958, vol. 80, p. 1339]. Відомо також покращений спосіб одержання оксиду графіту [D.C. Marcano, D.V. Kosynkin, J.M. Berlin, A. Sinitskii, Z. Sun, Α. Slesarev, L.B. Alemany, W. Lu. J. M. Tour. "Improved Synthesis of Graphene Oxide", ACS ΝΑΝΟ, 2010, vol. 4, p. 4806], який складається з наступних стадій: реакції лускатого графіту з KМnО 4 при ваговому співвідношенні 1:6 у суміші 9:1 концентрованих кислот H2SO4/H3PO4, виділення оксиду графіту шляхом фільтрування, багаторазової промивки з використанням послідовно води, 30 % НСl та етанолу, сушіння у вакуумі. Проте цей метод потребує використання великої кількості агресивних концентрованих кислот. В основу корисної моделі поставлена задача розробити більш ефективний спосіб одержання оксиду графену без використання концентрованих мінеральних кислот. Поставлена задача вирішується способом одержання оксиду графену, який складається з наступних стадій: механохімічної обробки суміші мікролусочок графіту та твердого окисника у кульовому млині при кімнатній температурі при швидкості обертання 300-600 об./хв. протягом 13 год., видалення продуктів відновлення окисника водою або водним розчином неорганічної кислоти, сушіння одержаного наноструктурованого оксиду графіту при температурі 100 °С, ультразвуковому диспергуванні сухого наноструктурованого оксиду графіту у воді протягом 0,51,0 год. та видаленні крупних твердих частинок з одержаної дисперсії оксиду графену шляхом центрифугування. Внаслідок шаруватої структури графіту, зв'язок між шарами якого забезпечують лише сили Ван дер Ваальса, проведення розмелу суміші графіту з твердим окисником призводить до окиснення графіту та механічного розшаровування мікролусочок оксиду графіту під дією зсувних напружень та адсорбції його нанорозмірних частинок на поверхні частинок твердого субстрату або продуктів його відновлення. Механохімічну обробку здійснювали за допомогою кульового планетарного млина Pulverizette 6 (Fritsch, Німеччина) з агатовим стаканом для розмелу об'ємом 0,08 л, що містив 30 агатових куль діаметром 10 мм. Співвідношення між масою куль та завантаженням реагентів складало 20:1. Ультразвукову обробку дисперсій графену та оксиду графену здійснювали за допомогою ультразвукового дезінтегратора Sonopuls HD 2070 (Bandelin). Приклад 1. 0,37 г мікролусочок графіту (№ 043480, Alfa Aesar) та 1,63 г КМnО 4 ("хч", Aldrich) розміщують в розмельному стакані планетарного млина та проводять розмелювання суміші при кімнатній температурі на швидкості 500 об./хв. протягом 1 год. Продукт розмелу, який відділяють від засобів розмелу шляхом сухого просіювання, ретельно промивають 10 % водним розчином НС1 та водою для повного видалення продуктів відновлення окисника і висушують у вакуумі при 100 °С. Вихід наноструктурованого оксиду графіту становить 0,37 мг. 10 мг наноструктурованого оксиду графіту розміщують у 10 мл води та проводять її ультразвукову обробку потужністю 20 Вт протягом 1 год. Одержану дисперсію очищують від великих частинок шляхом центрифугування на швидкості 6000 об./хв. Концентрація одержаної дисперсії оксиду графену становить 0,33 мг/мл. Окиснений стан графену підтверджується наявністю в ІЧ-спектрі одержаного матеріалу смуг -1 в області 1730, 1640 та 1220 см , а також положенням максимуму електронного поглинання в області 245 нм. Присутність в дисперсії оксиду графену підтверджується наявністю в -1 раманівському спектрі смуг 1343, 1570 та 2692 см та товщиною частинок 0,7-1,0 нм згідно з даними атомно-силової мікроскопії. Приклад 2. 0,19 г мікролусочок графіту (№ 043480, Alfa Aesar) та 1,81 г (NH 4)2S2O8 ("хч", Aldrich) розміщують в розмельному стакані планетарного млина та проводять розмелювання суміші при кімнатній температурі на швидкості 500 об./хв. протягом 1 год. Продукт розмелу, який відділяють від засобів розмелу шляхом сухого просіювання, ретельно промивають водою для повного видалення продуктів відновлення окисника і висушують у вакуумі при 100 °С. Вихід наноструктурованого оксиду графіту становить 0,19 г. 10 мг наноструктурованого оксиду графіту розміщують у 10 мл води та проводять її ультразвукову обробку потужністю 20 Вт протягом 1 1 UA 71602 U 5 10 год. Одержану дисперсію очищують від великих частинок шляхом центрифугування на швидкості 6000 об./хв. Концентрація одержаної дисперсії оксиду графену становить 0,13 мг/мл. Окиснений стан графену підтверджується наявністю в ІЧ-спектрі одержаного матеріалу смуг -1 в області 1730 та 1640 см , а також положенням максимуму електронного поглинання в області 250 нм. Присутність в дисперсії графену підтверджується наявністю в раманівському спектрі -1 смуг 1343, 1570 та 2693 см та товщиною частинок 0,7-1,0 нм згідно з даними атомно-силової мікроскопії. Наведені приклади свідчать про те, що спосіб, який заявляється, дає змогу одержувати оксид графену без застосування концентрованих кислот. Слід зазначити, що наведені приклади лише ілюструють створення корисної моделі, проте не обмежують її. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Спосіб одержання оксиду графену, який включає механохімічну обробку суміші графіту та твердого окисника у відсутності агресивних концентрованих кислот у кульовому млині при кімнатній температурі при швидкості обертання 300-600 об./хв. протягом 1-3 год., видалення продуктів відновлення окисника водою або водним розчином неорганічної кислоти та водою, сушіння одержаного наноструктурованого оксиду графіту при температурі 100 °С, ультразвукове диспергування сухого наноструктурованого оксиду графіту у воді протягом 0,5-1 год. та видалення крупних твердих частинок з одержаної дисперсії оксиду графену шляхом центрифугування. Комп’ютерна верстка M. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2