Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті
На прикладі терморозширеного графіту з площею питомої поверхні 52 м²/г, синтезованого шляхом інтеркалювання H2SO4 у присутності K2Cr2O7, показано, що розмір графенових наноблоків та кількість графенових шарів у них можуть бути оцінені дифрактометричним і адсорбційним методами. Згідно з розрахунками...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/43744 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті / Д.Б. Насєдкiн, I.В. Бабiч, Ю.В. Плюто // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 119-124. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859609024737050625 |
|---|---|
| author | Насєдкін, Д.Б. Бабіч, І.В. Плюто, Ю.В. |
| author_facet | Насєдкін, Д.Б. Бабіч, І.В. Плюто, Ю.В. |
| citation_txt | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті / Д.Б. Насєдкiн, I.В. Бабiч, Ю.В. Плюто // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 119-124. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | На прикладі терморозширеного графіту з площею питомої поверхні 52 м²/г, синтезованого шляхом інтеркалювання H2SO4 у присутності K2Cr2O7, показано, що розмір графенових наноблоків та кількість графенових шарів у них можуть бути оцінені дифрактометричним і адсорбційним методами. Згідно з розрахунками за рівнянням Дебая–Шеррера, товщина графенових наноблоків дорівнювала 27 нм у випадку використання рефлексу (002) і 24 нм для рефлексу (004), що відповідає 81 і 72 графеновим шарам у наноблоці відповідно. Розрахунок з використанням адсорбційних даних та запропонованої моделі свідчить, що середня товщина наноблоків 18 нм; це відповідає 54 графеновим шарам у наноблоці.
Using expanded graphite with 52 m²/g of specific surface area synthesized by the intercalation of H2SO4 in the presence of K2Cr2O7, it is shown that dimensions of graphen nanoblocks can be estimated with diffractometric and adsorption methods. According to the calculation by the Scherrer Formula, the thickness of graphen nanoblocks amounts to 27 nm for (002) reflex and 24 nm for (004) reflex, which corresponds to 81 and 72 graphene sheets in a nanoblock, respectively. The calculation by adsorption data with the usage of the introduced model gives the averaged thickness of nanoblocks to be 18 nm, which corresponds to 54 graphene sheets in a nanoblock.
|
| first_indexed | 2025-11-28T08:40:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 661.666.23:66.021.2.081.3
© 2011
Д.Б. Насєдкiн, I. В. Бабiч, Ю. В. Плюто
Вивчення графенових наноблокiв у терморозширеному
графiтi
(Представлено членом-кореспондентом НАН України М.Т. Картелем)
На прикладi терморозширеного графiту з площею питомої поверхнi 52 м2/г, синтезова-
ного шляхом iнтеркалювання H2SO4 у присутностi K2Cr2O7, показано, що розмiр гра-
фенових наноблокiв та кiлькiсть графенових шарiв у них можуть бути оцiненi дифрак-
тометричним i адсорбцiйним методами. Згiдно з розрахунками за рiвнянням Дебая–
Шеррера, товщина графенових наноблокiв дорiвнювала 27 нм у випадку використання
рефлексу (002) i 24 нм для рефлексу (004), що вiдповiдає 81 i 72 графеновим шарам у на-
ноблоцi вiдповiдно. Розрахунок з використанням адсорбцiйних даних та запропонованої
моделi свiдчить, що середня товщина наноблокiв 18 нм; це вiдповiдає 54 графеновим
шарам у наноблоцi.
Терморозширений графiт (ТРГ) — наноматерiал з унiкальними фiзико-хiмiчними власти-
востями. На вiдмiну вiд природного графiту, насипна вага якого дорiвнює близько 1 г/см3,
а площа питомої поверхнi — близько 1 м2/г, показники для ТРГ вiдповiдно становлять
0,001–0,1 г/см3 та 10–100 м2/г [1, 2]. Якщо природний графiт iснує в формi послiдовних
графенових шарiв, розташованих на вiдстанi 0,335 нм один вiд одного i зв’язаних слаб-
кими силами ван дер Ваальса [3, 4], то терморозширений графiт iснує в формi окремих
графенових наноблокiв [5, 6].
Перша стадiя синтезу ТРГ (рис. 1) включає окиснювальне iнтеркалювання, в резуль-
татi чого молекули iнтеркаланту проникають мiж графеновими шарами [5]. На прикладi
утворення бiсульфату графiту схему в спрощеному виглядi можна навести таким чином:
C24 +Ox −→ C+
24Ox−
H2SO4
−→
−Ox−
C+
24(HSO4)
−
· nH2SO4 +H+.
Пiд час другої стадiї — термоудару (рiзкому нагрiваннi до 873–1473 К впродовж кiлькох
секунд або хвилин) вiдбувається швидке газоутворення за рахунок iнтеркаланту (в дано-
Рис. 1. Механiзм утворення ТРГ з графiту
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 119
му випадку молекул H2SO4), що призводить до розшарування щiльної структури графiту
в мiсцях розташування iнтеркаланту та утворення окремих графенових наноблокiв [7]:
C+ 2H2SO4
t
−→CO2 + 2H2O+ 2SO2.
Такi макрохарактеристики ТРГ, як насипна вага та площа питомої поверхнi безпосе-
редньо залежать вiд розмiру графенових наноблокiв [8]. Головною характеристикою цього
матерiалу на нанорiвнi є розмiр окремих графенових наноблокiв ТРГ та кiлькiсть графе-
нових шарiв у них.
Мета роботи авторiв даного повiдомлення — оцiнка розмiру наноблокiв у терморозши-
реному графiтi та кiлькостi графенових шарiв у них методами дифрактометричного та
адсорбцiйного аналiзу.
Експериментальна частина. Природний графiт марки ГСМ-1 (графiт спецiальний
малозольний Завальєвського родовища, ГОСТ 17022) iнтеркалювали 95%-ю сiрчаною кис-
лотою в присутностi бiхромату калiю при кiмнатнiй температурi впродовж 1 год (спiввiд-
ношення компонентiв iнтеркаляцiйної сумiшi C : H2SO4 : K2Cr2O7 = 1,00 : 7,40 : 0,24).
Отриманий продукт, який промивали дистильованою водою до нейтрального pH та вису-
шували при кiмнатнiй температурi до постiйної маси, пiддавали термоудару в муфельнiй
печi малими порцiями при 1173 К впродовж 10 с.
Мiкрофотографiї графiту та ТРГ отримували на сканувальному електронному мiкро-
скопi (СЕМ) LEO 1550 FEG-SEM. Структурнi характеристики зразкiв визначали методом
дифракцiї рентгенiвських променiв на приладi ДРОН-3М (ЛОМО, Росiя). Дифрактограми
реєстрували з використанням CuKα (λ = 0,15418 нм) випромiнювання анода (потужнiсть
i сила струму дорiвнювали 30 кВ й 20 мA вiдповiдно), Ni фiльтра у вiдбитому променi та
геометрiї зйомки — за Бреггом–Брентано. Для оцiнки уширення рефлексiв застосовували
метод вимiрювання з внутрiшнiм стандартом. Усi зразки змiшували з NaCl у спiввiдношен-
нi 1 : 1 за масою, перетирали та закрiплювали в кюветi за допомогою вазелiнового масла.
Густину графiту визначали експериментально за допомогою пiкнометричного методу [9]
з використанням етилового спирту. Сорбцiйнi характеристики зразкiв вивчали на приладi
Micromeritics TriStar 3000.
Обговорення результатiв. На знiмках мiкрофотографiй (СЕМ) зразкiв, наведених на
рис. 2, помiтнi iстотнi морфологiчнi змiни графiту, що вiдбулися внаслiдок його термороз-
ширення, зокрема розшарування щiльної структури графiту (а) на окремi пластини (в) та
часткове гофрування поверхнi (б, г).
Дифрактограми зразкiв графiту (а) й ТРГ (б ) iлюструє рис. 3. Обидвi дифрактограми
характеризуються наявнiстю рефлексiв площин (002) й (004) графiту [2, 10]. Їх iнтенсив-
нiсть помiтно зменшується при переходi вiд графiту до ТРГ. Iстотний зсув лiнiй в напрямi
збiльшення або зменшення кута рефлексу не спостерiгається, а профiль лiнiй є симетрич-
ним. Це свiдчить про впорядкованiсть кристалiчної структури графiту та збереження її
в результатi терморозширення.
Крiм того, на дифрактограмi зразка ТРГ в областi 41◦–44◦ не спостерiгається поява
рефлексiв площин (100) й (101), характерних для ромбоедричної та турбостратної струк-
тур графiту, що пiдтверджує вiдсутнiсть змiни форми графiтної структури та зсуву графе-
нових шарiв один вiдносно одного у випадковому напрямi в межах одного наноблока для
терморозширеного зразка [1, 4].
Для оцiнки товщини графенових наноблокiв ТРГ за уширенням дифракцiйних пiкiв
порiвнювали значення пiвширин основних рефлексiв дифрактограми ТРГ iз стандартом.
120 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
Рис. 2. Мiкрофотографiї зразкiв графiту (а) та ТРГ (б –г)
Рис. 3. Дифрактограми зразкiв графiту (а) та ТРГ (б )
Для зменшення впливу апаратного уширення було обрано пiки стандарту, максимально
наближених до пiкiв зразка. Так, рефлексам ТРГ (002) й (004) вiдповiдають рефлекси
NaCl (200) й (222), згiдно з даними [11].
Розмiр кристалiтiв зразка ТРГ оцiнювали з аналiзу уширення пiкiв дифрактограми,
що вiдбувається внаслiдок когерентного розсiяння рентгенiвських променiв. Розмiр зони
когерентного розсiяння D визначали за рiвнянням Дебая–Шеррера [12]:
D =
Kλ
β cos θ
,
де K — коефiцiєнт форми кристалiту, що для випадку кубiчної форми дорiвнює 0,94; λ —
довжина хвилi рентгенiвського випромiнювання; θ — бреггiвський кут; β — значення ушире-
ння пiка, що визначається за рiвнянням Уоррена [13] β =
√
B2 − b2 як вiдхилення значення
пiвширини B дослiджуваного зразка вiд значення пiвширини b стандарту.
Експериментальнi данi дифракцiйних пiкiв такi, як кути 2θ, їх ширина на пiввисотi (пiв-
ширина) B та iндекси Мiллера вiдповiдних лiнiй наведенi в табл. 1. Враховуючи незмiнне
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 121
Рис. 4. Iзотерми адсорбцiї азоту на зразках графiту (а) та ТРГ (б )
положення рефлексу площини (002), що вiдповiдає розрахованiй (в нм) за рiвнянням Брегга
d = λ/(2 sin(θ) · 10) мiжплощиннiй вiдстанi у 0,335 нм [3], було визначено кiлькiсть графе-
нових шарiв у наноблоцi.
Згiдно з розрахунками за рiвнянням Дебая–Шеррера, товщина графенових наноблокiв
дорiвнювала 27 нм для рефлексу (002) та 24 нм — для рефлексу (004), що вiдповiдає 81
й 72 графеновим шарам у наноблоцi (див. табл. 1).
Розмiр графенових наноблокiв також оцiнювали з аналiзу площi питомої поверхнi. Iзо-
терми сорбцiї азоту на зразках графiту й ТРГ, що демонструє рис. 4, вiдносяться до III
типу з початком полiмолекулярної адсорбцiї в областi високих значень вiдносного тиску
p/p0, а наявнiсть петлi гiстерезису III типу з початком близько 0,45–0,50 p/p0 свiдчить про
присутнiсть щiлиноподiбних мезопор, утворених агрегацiєю пластинчастих наночастинок
графiту [14]. Розрахунки методом БЕТ показали значне зростання площi питомої поверхнi
з 1 м2/г для графiту до 52 м2/г для ТРГ.
Адсорбцiйнi характеристики ТРГ було використано для розрахунку розмiру нанобло-
кiв ТРГ та кiлькостi графенових шарiв. Для цього нами запропоновано модель нанобло-
ка, яка для спрощення розрахункiв припускає, що базальна поверхня наноблока ТРГ має
квадратну форму зi стороною c, а товщина наноблока t значно менша лiнiйних розмiрiв c
базальної поверхнi.
У рамках цiєї моделi повна площа поверхнi a наноблока становитиме
a = 2c2 + 4ct, (1)
а маса наноблока дорiвнюватиме
m = ρV = ρc2t, (2)
де ρ — густина графiту.
Таблиця 1
Рефлекси зразка
ТРГ та стандарту 2θ, град B, град
Середня товщина графенових
наноблокiв, нм
Кiлькiсть графенових
шарiв у наноблоцi
С (002) 26,50 0,44 27 81
NaCl (200) 31,75 0,30
С (004) 54,62 0,54 24 72
NaCl (222) 56,50 0,37
122 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
Беручи до уваги, що t ≪ c, питому поверхню s можна розрахувати за формулою
s =
a
m
=
2c2 + 4ct
ρc2t
≈
2
ρt
, (3)
а товщину наноблока —
t =
2
ρs
.
Використовуючи експериментальнi данi площi питомої поверхнi ТРГ (52 м2/г), визначе-
ну експериментально густину графiту (2,16 г/см3, що не суперечить лiтературним даним:
1,9–2,72 i 2,2 г/см3 [15]), а також мiжплощинну вiдстань (0,335 нм [3]), було розраховано
середню товщину наноблокiв i кiлькiсть графенових шарiв, що їх утворюють. Розрахунок
показав, що середня товщина наноблокiв дорiвнювала 18 нм, що вiдповiдає 54 графеновим
шарам у наноблоцi.
Таким чином, на прикладi терморозширеного графiту з питомою поверхнею 52 м2/г,
синтезованого шляхом iнтеркалювання H2SO4 у присутностi K2Cr2O7, показано, що розмiр
графенових наноблокiв та кiлькiсть графенових шарiв у них можна оцiнювати дифрактоме-
тричним й адсорбцiйним методами. Згiдно з розрахунками за рiвнянням Дебая–Шеррера,
товщина графенових наноблокiв становила 27 нм у випадку використання рефлексу (002)
та 24 нм — для рефлексу (004), що вiдповiдає 81 та 72 графеновим шарам у нанобло-
цi вiдповiдно. Розрахунок iз використанням адсорбцiйних даних та запропонованої моделi
свiдчить про середню товщину наноблокiв 18 нм, що вiдповiдає 54 графеновим шарам у на-
ноблоцi.
1. Radovic L. R. Chemistry and Physics of Carbon. Vol. 30. – New York: CRC Press, 2008. – 244 p.
2. Fukuda K., Kikuya K., lsono K. et al. Foliated natural graphite as the anode material for rechargeable
lithium-ion cells // J. Power Sources. – 1997. – 69, No 1./2. – P. 165–168.
3. Pierson H.O. Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: properties, processing and appli-
cations. – Albuquerque; New Mexico: Noyes Publ., 1993. – 402 p.
4. Chen G., Weng W., Wu D. et al. Preparation and characterization of graphite nanosheets from ultrasonic
powdering technique // Carbon. – 2004. – 42, No 4. – P. 753–759.
5. Radovic L. R. Chemistry and Physics of Carbon: A Series of Advanses. Vol. 29. – New York: Marcel Dekker,
2004. – 430 p.
6. Chen G., Wu C., Weng W. et al. Preparation of polystyrene/graphite nanosheet composite // Polymer. –
2003. – 44, No 6. – P. 1781–1784.
7. Camino G., Duquesne S., Delobel R. et al. Mechanizm of Expandable Graphite. Fire retardant Action in
Polyurethanes / Eds. G. L. Nelson, C. A. Wilkie. Fires and polymers: materials and solutions for hazard
prevention. – Washington: ACS Publ., 2001. – P. 90–109.
8. Vittori-Antisari M., Montone A., Jovic N., Piscopiello E. Low energy pure shear milling. A method for
the preparation of graphite nano-sheets // Scripta Mater. – 2006. – 55, No 11. – P. 1047–1050.
9. Powder technology handbook. 3-rd ed. / Ed. by H. Masuda, K. Higashitani, H. Yoshida. – New York: CRC
Press, 2006. – 878 p.
10. Sun G., Li X., Qu Y. et al. Preparation and characterization of graphite nanosheets from detonation
technique // Mater. Lett. – 2008. – 62, No 4./5. – P. 703–706.
11. Joint Committee on Powder Diffraction Standards. Card No 05-0628.
12. Cullity B.D., Stock S.R. Element of X-Ray diffraction. 3-th ed. – Englewood Cliffs: Prientice-Hall, 2001. –
664 p.
13. Bergeret G., Gallezot P. Particle size and dispersion measurements / Eds. G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth,
J. Weitkamp // Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2-nd ed. – Weinheim: Wiley-VCH, 2008. – P. 738–
765.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 123
14. Sing K. S.W., Everett D.H., Haul R.A.W. et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with
special reference to the determination of surface area and porosity (recommendations) // Pure and Appl.
Chem. – 1985. – 57, No 4. – P. 603–619.
15. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90-th ed. / Ed.-in-Chief D.R. Lide. – 2010. – 2760 p.
Надiйшло до редакцiї 14.03.2011Iнститут хiмiї поверхнi iм. О.О. Чуйка
НАН України, Київ
D.B. Nasiedkin, I. V. Babich, Yu. V. Plyuto
Investigation of graphene nanoblocks in expanded graphite
Using expanded graphite with 52 m2/g of specific surface area synthesized by the intercalation
of H2SO4 in the presence of K2Cr2O7, it is shown that dimensions of graphen nanoblocks can
be estimated with diffractometric and adsorption methods. According to the calculation by the
Scherrer Formula, the thickness of graphen nanoblocks amounts to 27 nm for (002) reflex and
24 nm for (004) reflex, which corresponds to 81 and 72 graphene sheets in a nanoblock, respecti-
vely. The calculation by adsorption data with the usage of the introduced model gives the averaged
thickness of nanoblocks to be 18 nm, which corresponds to 54 graphene sheets in a nanoblock.
124 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-43744 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-28T08:40:01Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Насєдкін, Д.Б. Бабіч, І.В. Плюто, Ю.В. 2013-05-15T16:26:11Z 2013-05-15T16:26:11Z 2011 Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті / Д.Б. Насєдкiн, I.В. Бабiч, Ю.В. Плюто // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 119-124. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/43744 661.666.23:66.021.2.081.3 На прикладі терморозширеного графіту з площею питомої поверхні 52 м²/г, синтезованого шляхом інтеркалювання H2SO4 у присутності K2Cr2O7, показано, що розмір графенових наноблоків та кількість графенових шарів у них можуть бути оцінені дифрактометричним і адсорбційним методами. Згідно з розрахунками за рівнянням Дебая–Шеррера, товщина графенових наноблоків дорівнювала 27 нм у випадку використання рефлексу (002) і 24 нм для рефлексу (004), що відповідає 81 і 72 графеновим шарам у наноблоці відповідно. Розрахунок з використанням адсорбційних даних та запропонованої моделі свідчить, що середня товщина наноблоків 18 нм; це відповідає 54 графеновим шарам у наноблоці. Using expanded graphite with 52 m²/g of specific surface area synthesized by the intercalation of H2SO4 in the presence of K2Cr2O7, it is shown that dimensions of graphen nanoblocks can be estimated with diffractometric and adsorption methods. According to the calculation by the Scherrer Formula, the thickness of graphen nanoblocks amounts to 27 nm for (002) reflex and 24 nm for (004) reflex, which corresponds to 81 and 72 graphene sheets in a nanoblock, respectively. The calculation by adsorption data with the usage of the introduced model gives the averaged thickness of nanoblocks to be 18 nm, which corresponds to 54 graphene sheets in a nanoblock. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Хімія Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті Investigation of graphene nanoblocks in expanded graphite Article published earlier |
| spellingShingle | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті Насєдкін, Д.Б. Бабіч, І.В. Плюто, Ю.В. Хімія |
| title | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| title_alt | Investigation of graphene nanoblocks in expanded graphite |
| title_full | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| title_fullStr | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| title_full_unstemmed | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| title_short | Вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| title_sort | вивчення графенових наноблоків у терморозширеному графіті |
| topic | Хімія |
| topic_facet | Хімія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/43744 |
| work_keys_str_mv | AT nasêdkíndb vivčennâgrafenovihnanoblokívutermorozširenomugrafítí AT babíčív vivčennâgrafenovihnanoblokívutermorozširenomugrafítí AT plûtoûv vivčennâgrafenovihnanoblokívutermorozširenomugrafítí AT nasêdkíndb investigationofgraphenenanoblocksinexpandedgraphite AT babíčív investigationofgraphenenanoblocksinexpandedgraphite AT plûtoûv investigationofgraphenenanoblocksinexpandedgraphite |