Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену

Досліджено властивості полімерних композитів з вмістом оксиду графену до 15% (мас.), одержаного методом Хамерса і Офемана. Показано, що провідність вихідного оксиду графену визначена методом імпедансної спектроскопії зумовлена переважно електронною складовою, але присутня і іонна. Поведінка концентр...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Лісова, О.М., Махно, С.М., Гаврилюк, Н.А., Приходько, Г.П., Картель, М.Т.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України 2015
Schriftenreihe:	Поверхность
Schlagworte:	Наноматериалы и нанотехнологии
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148492
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену / О.М. Лісова, С.М. Махно, Н.А. Гаврилюк, Г.П. Приходько, М.Т. Картель // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 238-243. — Бібліогр.: 26 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148492
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1484922025-02-23T19:17:02Z Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену The electrophysical properties of polymer – graphene oxide system Электрофизические свойства полимерных композитов с оксидом графена Лісова, О.М. Махно, С.М. Гаврилюк, Н.А. Приходько, Г.П. Картель, М.Т. Наноматериалы и нанотехнологии Досліджено властивості полімерних композитів з вмістом оксиду графену до 15% (мас.), одержаного методом Хамерса і Офемана. Показано, що провідність вихідного оксиду графену визначена методом імпедансної спектроскопії зумовлена переважно електронною складовою, але присутня і іонна. Поведінка концентраційної залежності електропровідності на низьких частотах та дійсної і уявноії складових комплексної діелектричної проникності на частоті 9 ГГц композитів суттєво змінюється у концентраційному діапазоні 3–5%, що зумовлено наявністю порогу протікання при вмісті 4%. The properties of polymer composites with graphene oxide (OG) to 15% (wt.) obtained by Hammers i Ofemana method. It is shown that the conductivity of original OG was determined by impedance spectroscopy is due primarily to the electronic component, but there is also ionic. The concentration dependence behavior of conductivity at low frequencies, as well as the real and imaginary components of the complex permittivity of 9 GHz composites varies significantly in a concentration range of 3 – 5%, due to the presence of the percolation threshold in the exhaust gas content of 4 %. Исследованы свойства полимерных композитов с содержанием оксида графена (ОГ) до 15% (масс.), полученного методом Хаммерса і Офемана. Показано, что проводимость исходного ОГ, определенная методом импедансной спектроскопии, обусловлена преимущественно электронной составляющей, но присутствует и ионная. Поведение концентрационной зависимости электропроводности на низких частотах, а также действительной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 9 ГГц композитов существенно изменяется в концентрационном диапазоне 3 – 5 %, что обусловлено наличием порога перколяции при содержании ОГ 4 % (масс.). 2015 Article Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену / О.М. Лісова, С.М. Махно, Н.А. Гаврилюк, Г.П. Приходько, М.Т. Картель // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 238-243. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. 2617-5975 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148492 537.311.1, 537.311.6, 620.179 uk Поверхность application/pdf Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Наноматериалы и нанотехнологии Наноматериалы и нанотехнологии
spellingShingle	Наноматериалы и нанотехнологии Наноматериалы и нанотехнологии Лісова, О.М. Махно, С.М. Гаврилюк, Н.А. Приходько, Г.П. Картель, М.Т. Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену Поверхность
description	Досліджено властивості полімерних композитів з вмістом оксиду графену до 15% (мас.), одержаного методом Хамерса і Офемана. Показано, що провідність вихідного оксиду графену визначена методом імпедансної спектроскопії зумовлена переважно електронною складовою, але присутня і іонна. Поведінка концентраційної залежності електропровідності на низьких частотах та дійсної і уявноії складових комплексної діелектричної проникності на частоті 9 ГГц композитів суттєво змінюється у концентраційному діапазоні 3–5%, що зумовлено наявністю порогу протікання при вмісті 4%.
format	Article
author	Лісова, О.М. Махно, С.М. Гаврилюк, Н.А. Приходько, Г.П. Картель, М.Т.
author_facet	Лісова, О.М. Махно, С.М. Гаврилюк, Н.А. Приходько, Г.П. Картель, М.Т.
author_sort	Лісова, О.М.
title	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
title_short	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
title_full	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
title_fullStr	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
title_full_unstemmed	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
title_sort	електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену
publisher	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Наноматериалы и нанотехнологии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148492
citation_txt	Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену / О.М. Лісова, С.М. Махно, Н.А. Гаврилюк, Г.П. Приходько, М.Т. Картель // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 238-243. — Бібліогр.: 26 назв. — укр.
series	Поверхность
work_keys_str_mv	AT lísovaom elektrofízičnívlastivostípolímernihkompozitívzoksidomgrafenu AT mahnosm elektrofízičnívlastivostípolímernihkompozitívzoksidomgrafenu AT gavrilûkna elektrofízičnívlastivostípolímernihkompozitívzoksidomgrafenu AT prihodʹkogp elektrofízičnívlastivostípolímernihkompozitívzoksidomgrafenu AT kartelʹmt elektrofízičnívlastivostípolímernihkompozitívzoksidomgrafenu AT lísovaom theelectrophysicalpropertiesofpolymergrapheneoxidesystem AT mahnosm theelectrophysicalpropertiesofpolymergrapheneoxidesystem AT gavrilûkna theelectrophysicalpropertiesofpolymergrapheneoxidesystem AT prihodʹkogp theelectrophysicalpropertiesofpolymergrapheneoxidesystem AT kartelʹmt theelectrophysicalpropertiesofpolymergrapheneoxidesystem AT lísovaom élektrofizičeskiesvojstvapolimernyhkompozitovsoksidomgrafena AT mahnosm élektrofizičeskiesvojstvapolimernyhkompozitovsoksidomgrafena AT gavrilûkna élektrofizičeskiesvojstvapolimernyhkompozitovsoksidomgrafena AT prihodʹkogp élektrofizičeskiesvojstvapolimernyhkompozitovsoksidomgrafena AT kartelʹmt élektrofizičeskiesvojstvapolimernyhkompozitovsoksidomgrafena
first_indexed	2025-11-24T15:16:02Z
last_indexed	2025-11-24T15:16:02Z
_version_	1849685298463637504
fulltext	Поверхность. 2015. Вып. 7(22). С. 238–243 238 УДК 537.311.1, 537.311.6, 620.179 ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ З ОКСИДОМ ГРАФЕНУ О.М. Лісова, С.М. Махно, Н.А. Гаврилюк, Г.П. Приходько, М.Т. Картель Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна, е-mail: oksana.garkusha@gmail.com Досліджено властивості полімерних композитів з вмістом оксиду графену до 15% (мас.), одержаного методом Хамерса і Офемана. Показано, що провідність вихідного оксиду графену визначена методом імпедансної спектроскопії зумовлена переважно електронною складовою, але присутня і іонна. Поведінка концентраційної залежності електропровідності на низьких частотах та дійсної і уявноії складових комплексної діелектричної проникності на частоті 9 ГГц композитів суттєво змінюється у концентраційному діапазоні 3–5%, що зумовлено наявністю порогу протікання при вмісті 4%. Вcтуп Вуглецеві матеріали останнім часом набули неабиякої популярності у використанні та дослідженні, оскільки мають високі експлуатаційні характеристики, порівняно невисоку собівартість, технологічність. Особливе місце серед вуглецевих матеріалів займають графітоподібні структури [1, 2], зокрема композиційні матеріали на основі оксиду графену (ОГ). Такі матеріали мають широке застосування завдяки комплексу унікальних властивостей наповнювача [3], які зумовлені його структурними особливостями: двовимірна решітка карбону з функціональними кисеньвмісними групами на поверхні [4]. Тому, вони широко вивчаються [5] для застосування в електроніці [6,7], каталізі [8], датчиках [9], для перетворення та зберігання енергії [10, 11] і т.д. Масове виробництво високоякісних доступних графенових матеріалів за низькими цінами є однією з прерогатив сучасних досліджень [12, 13]. Фактично, графени існують у природі, входячи до складу їх мінеральних прекурсорів (лусок або їх агрегатів), виникає потреба їх розшарування (розділення) до окремих графенових листів [14]. Розшарування графіту в графен можна реалізувати або фізичним, або хімічним шляхом [15, 16]. Нанопористий графіт і наношари оксиду графену надають нові можливості для створення нового класу надтонких, з високою щільністю потоку, енергоефективних водоочисних мембран [17, 18]. Мембрани з ОГ здатні чинити опір обростанню та поширеним бактеріям, які передаються через воду, що сприяє подовженню терміну служби мембран і зниженню енергоємності процесів очищення води. Метою роботи є встановлення закономірностей зміни електрофізичних властивостей композитів системи поліхлортрифторетилен – ОГ в залежності від концентрації складових. Об’єкти і методи дослідження ОГ синтезували модифікованим методом Хаммерса і Офемана [19]. Полімерні композити на основі ОГ і поліхлортрифторетилену (ПХТФЕ) одержували методом пресування з розплаву, попередньо змішуючи компоненти в етиловому спирті до отримання рівномірного розподілу, за температури 513 К і тиску 2 МПа. Дослідження дійсної (ε′) та уявної (ε″) складових комплексної діелектричної проникності композитів проведено в надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні 8–12 ГГц за допомогою інтерферометра на основі вимірювача різниці фаз РФК2-18 та вимірювача коефіцієнта стоячих хвиль і послаблення Р2-60 безелектродним методом, а 239 електропровідність на низьких частотах 0,1; 1 і 10 кГц двоконтактним методом за допомогою вимірювача іммітансу Е7-14 [20]. Частотні залежності комплексної питомої електропровідності композитів визначали шляхом розрахунків спектрів імпедансу в діапазоні частот 10-2–106 Гц, одержаних на імпедансному спектрометрі Solartron SI 1260. Експериментальні результати та їх обговорення Аналіз результатів електронно-мікроскопічних досліджень (просвічуючий електронний мікроскоп JEM-2100F) одержаних зразків свідчить про утворення пошарових структур ОГ (рис. 1). Рис. 1. Електронна фотографія зразка ОГ. На рис. 2 представлено дифрактограму пресованого ОГ. Основний пік в області 10о відносимо до оксиду графену [21]. Пік в області 27о відповідає графіту [22], незначна кількість якого присутня у зразках. Пік у області 20о може бути пов'язаний з наявністю невеликої кількості відновленого оксиду графену [23]. Згідно з дифрактограмами використаний матеріал містить понад 50% оксиду графену. Рис. 2. Дифрактограма пресованого ОГ. 240 На рис. 3 представлено логарифмічні залежності дійсної складової електропровідності вихідного ОГ та композиту ПХТФЕ – 5% ОГ від логарифму частоти. Рис. 3. Залежність дійсної складової електропровідності вихідного ОГ (1) та композиту ПХТФЕ – 5% ОГ (2) від логарифму частоти. З імпедансних спектрів вихідного ОГ видно, що залежність характеризується наявністю двох релаксаційних процесів у області частот 10-2 та 106 Гц. При зростанні частоти від 10-2 до 106 Гц провідність ОГ збільшується за рахунок іонної складової провідності [24], значення якої більше електронної складової майже в 5 разів, що свідчить про високу ступінь окиснення поверхні графену. Джерелом протонів є сорбована на поверхні ОГ вода. В діапазоні частот 100 – 105 електропровідність має лінійну залежність. Залежність електропровідності композиту з вмістом ОГ 5% (рис. 3, крива 2) лінійна від 10-2 – 105 Гц, що вказує на десорбцію води з поверхні ОГ при виготовленні композитів за температури 513 К. Концентраційна залежність електропровідності σ на низьких частотах повільно зростає до концентрації 3% (мас.) (рис. 4, а). В інтервалі концентрацій від 3 до 5% різко збільшується електропровідність системи, що свідчить про реалізацію порогу протікання, відбувається збільшення середнього розміру кластерів ОГ. Значна частина ізольованих кластерів переходить в стан нескінченного, який пронизує полімерний композит в усіх напрямках, з утворенням каналів провідності, що приводить до зростання значень σ на кілька порядків. Подальше збільшення вмісту ОГ (φ > 5%) приводить до росту об’єму нескінченного кластера, яке відображається на монотонному характері зростанні провідності в даному інтервалі концентрацій. Це може пояснюватись тим, що внесок в провідність додаткових каналів в кластерах наночастинок суттєво менший від сумарної провідності каналів, які утворювалися при формуванні перколяційного кластера на порозі перколяції. Характер зміни залежностей дійсної ε′ та уявної ε″ складових комплексної діелектричної проникності (рис. 4, б) аналогічний змінам електропровідності, що додатково свідчить про процеси, які відбуваються в системі. Три ділянки, на які можна умовно розмежувати концентраційну залежність: поступове збільшення показників до концентрації 3% (утворюються окремі диполі з кластерів ОГ в полімерній матриці), різке зростання в концентраційному діапазоні 3–5 % (перехід від дипольної системи до сіткової), при концентрації вище 5% нахил кривих ε′ та ε″ змінюється до плавного зростання (об’ємна сітка з кластерів ОГ). 241 а б Рис. 4. Залежності електропровідності на частоті 0,1 кГц (а) і дійсної ε′ (1) та уявної ε″ (2) складових комплексної діелектричної проникності (б) на частоті 9 ГГц від вмісту ОГ. Оскільки карбонові матеріали вирізняються здатністю до утворення власних структур, то високе значення порогу перколяції у порівнянні з отриманим в [25, 26] може бути обумовлене підвищеною схильністю до агрегації частинок, плоскою структурою наповнювача, а також високим ступенем окиснення його поверхні. Висновки Проведено дослідження ОГ, отриманого методом Хаммерса і Офемана, за допомогою рентгено-фазового аналізу та методом імпедансної спектроскопії, а також електропровідності на низьких частотах та комплексної діелектричної проникності на надвисоких частотах композиційних матеріалів системи ПХТФЕ – ОГ. Показано, що провідність вихідного ОГ зумовлена переважно електронною складовою, але існує частково іонна провідність окисленої поверхні. Значення дійсної та уявної складових комплексної діелектричної проникності в надвисокочастотному діапазоні та електропровідності на низьких частотах нелінійно залежать від об’ємного вмісту ОГ в композитах ПХТФЕ – ОГ, що обумовлено наявністю порогу протікання. Поріг перколяції для системи ПХТФЕ – ОГ становить С = 4% на частоті 1кГц. Високе значення порогу перколяції може бути обумовлене високим ступенем окиснення поверхні графену та агломерацією мікрочастинок. Досліджені композити можуть бути перспективними для створення каталізаторів та електропровідних матеріалів на їх основі. Література 1. Liu W.-W., Chai S.-P., Mohamed A.R., Hashim U. Synthesis and characterization of graphene and carbon nanotubes: A review on the past and recent developments // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2014. – V. 20. – P. 1171–1185. 2. Zhao Y., Li X., Yan B. et al. Significant impact of 2D graphene nanosheets on large volume change tin-based anodes in lithium-ion batteries: A review // Journal of Power Sources. – 2015. – V. 274. – P. 869–884. 3. Roy E., Patra S., Kumar D. et al. Multifunctional magnetic reduced graphene oxide dendrites: Synthesis, characterization and their applications // Biosensor and Bioelectronics. – 2015. – V. 68. – P. 726–735. 4. Мележик А.В., Чуйко А.А. Холодное расширение графита – путь к новым технологиям // Хим. технология. – 1992. – № 2. – С. 3–11 242 5. Weiss N.O., Zhou H., Liao L. et al. Graphene: an emerging electronic material // Adv. Mater. – 2012. – V. 24, № 43. – P. 5782–5825. 6. Сорокин П.Б., Чернозатонский Л.А. Полупроводниковые наноструктуры на основе графена // Успехи физических наук. – 2013. – Т. 183, № 2. – С. 113–132. 7. Huang C., Li C., Shi G. Graphene based catalysts // Energy Environ. Sci. – 2012. – V. 5, № 10. – P. 8848 – 8868. 8. Liu Y., Dong X., Chen P. Biological and chemical sensors based on graphene materials // Chem. Soc. Rev. – 2012. – V. 41, № 6. – P. 2283–2307. 9. Sun Y., Wu Q., Shi G. Graphene based new energy materials // Energy Environ. Sci. – 2011. – V. 4, №4. – P. 1113–1132. 10. Zhu-Yin Sui, Bao-Hang Han. Effect of surface chemistry and textural properties on carbon dioxide uptake in hydrothermally reduced graphene oxide // Carbon.– 2015.– № 82. – P. 590 – 598. 11. Barroso-Bujans F., Alegrı´a A., Colmenero J. Kinetic study of the graphite oxide reduction: combined structural and gravimetric experiments under isothermal and nonisothermal conditions // J. Phys. Chem. C. – 2010. – V. 114. – P. 21645–21651. 12. Bagri1 A., Mattevi C., Acik M. et al. Structural evolution during the reduction of chemically derived graphene oxide // Nature chemistry. – 2010. – V. 2. – P. 581–587., DOI: 10.1038/NCHEM.686 13. Segal M. Selling graphene by the ton // Nat. Nanotechnol. – 2009. – V. 4, № 10. – P. 612–614. 14. Low F.W., Lain C.W., Hamid S.B.A. Easy preparation of ultrathin reduced graphene oxide sheets at a high stirring speed // Ceramics International. – 2015. – V. 41. – P. 5798–5806. 15. Nardecchia S., Carriazo D., Ferrer M.L. et al. Threedimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nano-tubes and/or graphene: synthesis and applications // Chem. Soc. Rev. – 2013. – V. 42. – P. 794–830. 16. Scida K., Stege P.W., Haby G. Et al. Recent applicationsof carbon-based nanomaterials in analytical chemistry: critical review // Anal.Chim. Acta. – 2011. – V. 691. – P. 6–17. 17. Sun P., Zhu M., Wang K. et al. Selective Ion Penetration of Graphene Oxide Membranes // ACS Nano. – 2012. – V. 7. – P. 428–437. 18. Mahmoud K.A., Mansoor B., Mansour A., Khraisheh M. Functional graphene nanosheets: The next generation membranes for water desalination // Desalination. – 2015. – V. 356. – P. 208–225. 19. Hummers W.S., Offeman R.E. Preparation of Graphitic Oxide // Journal of the American Chemical Society. – 1958. – V. 80, № 6. – P. 1339–1339. 20. Ганюк Л.М., Iгнатков В.Д., Махно С.М., Сорока П.М. Дослідження діелектричних властивостей волокнистого матеріалу // Український фізичний журнал.– 1995.– Т.40, № 6.– С. 627-629. 21. C. Ma, W. Liu, M. Shi, X. Lang, Y. Chu, Z. Chen, D. Zhao, W. Lin, C. Hardacre. Low loading platinum nanoparticles on reduced graphene оxide-supported tungsten carbide crystallites as a highly active electrocatalyst for methanol oxidation // Electrochimica Acta.– 2013.–V. 114.– P. 133 – 141. 22. C. Botas, P. Alvarez, P. Blanco, M. Granda, C. Blanco, R. Santamarıa, L.J. Romasanta, R. Verdejo, M.A. Lopez-Manchado, R. Menendez. Graphene materials with different structures prepared from the same graphite by the Hummers and Brodie methods // Cаrbon.– 2013.– V 65.– P. 156 – 164. 243 23. Qian-Li Zhang, Jie-Ning Zheng, Tian-Qi Xu, Ai-Jun Wang, Jie Wei, Jian-Rong Chen, Jiu-Ju Feng. Simple one-pot preparation of Pd-on-Cu nanocrystals supported on reduced graphene oxide for enhanced ethanol electrooxidation // Electrochimica Acta.– 2014. – V. 132. – P. 551 – 560. 24. Шевченко В.Г., Пономаренко А.Т. Процессы переноса в электропроводящих дисперсно-наполненных полимерных композитах // Успехи химии. –1983.– Т. LII, № 8.– С. 1336 – 1349. 25. M.K. Li, C.X. Gao, X. Zhang, W.T. Zheng, Z.D. Zhao, F.L. Meng. Electrical conductivity of calcined graphene oxide/diatomite composites with a segregated structure // Materials Letters. – 2015.– V. 141.– P. 125– 127. 26. Махно С.М. Вплив безконтактного диспергування вуглецевих нанотрубок на електрофізичні властивості композитів з поліхлортрифторетиленом // Хімія, фізика та технологія поверхні. –2015. – Т. 6, № 3.– С. 372– 379. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ОКСИДОМ ГРАФЕНА О.М. Лисова, С.Н. Махно, Н.А. Гаврилюк, Г.П. Приходько, М.Т. Картель Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина, е-mail: oksana.garkusha@gmail.com Исследованы свойства полимерных композитов с содержанием оксида графена (ОГ) до 15% (масс.), полученного методом Хаммерса і Офемана. Показано, что проводимость исходного ОГ, определенная методом импедансной спектроскопии, обусловлена преимущественно электронной составляющей, но присутствует и ионная. Поведение концентрационной зависимости электропроводности на низких частотах, а также действительной и мнимой составляющих комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 9 ГГц композитов существенно изменяется в концентрационном диапазоне 3 – 5 %, что обусловлено наличием порога перколяции при содержании ОГ 4 % (масс.). THE ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF POLYMER – GRAPHENE OXIDE SYSTEM O.М. Lisova, S.М. Makhno, N.А. Gavrilyuk, G.Р. Prikhodko, N.Т. Kartel Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, 17 General Naumov Str. Kyiv, 03164, Ukraine, е-mail: oksana.garkusha@gmail.com The properties of polymer composites with graphene oxide (OG) to 15% (wt.) obtained by Hammers i Ofemana method. It is shown that the conductivity of original OG was determined by impedance spectroscopy is due primarily to the electronic component, but there is also ionic. The concentration dependence behavior of conductivity at low frequencies, as well as the real and imaginary components of the complex permittivity of 9 GHz composites varies significantly in a concentration range of 3 – 5%, due to the presence of the percolation threshold in the exhaust gas content of 4 %.

Електрофізичні властивості полімерних композитів з оксидом графену

Institution

Ähnliche Einträge