WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES

A literature analysis of sources on synthesis methods and their influence on the structural-morphological, physico-chemical, and electrochemical properties of graphene and graphene-like structures was carried out. It was established that these properties have a clear dependence on the synthesis meth...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2022
1. Verfasser:	Panteleimonov, Radyslav
Format:	Artikel
Sprache:	Englisch
Veröffentlicht:	V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2022
Online Zugang:	https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/466
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Ukrainian Chemistry Journal
Завантажити файл:

Institution

Ukrainian Chemistry Journal

_version_	1871465846389342208
author	Panteleimonov, Radyslav
author_facet	Panteleimonov, Radyslav
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Radyslav Panteleimonov", "institution": "Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry N.A.S of Ukraine, Kyiv, Palladin av., 32\/34, 03142 Ukraine" } ]
author_sort	Panteleimonov, Radyslav
baseUrl_str	https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-22T08:23:49Z
description	A literature analysis of sources on synthesis methods and their influence on the structural-morphological, physico-chemical, and electrochemical properties of graphene and graphene-like structures was carried out. It was established that these properties have a clear dependence on the synthesis method, starting materials, and the composition of the synthesis medium. The main ways of changing graphene's structural-morphological, physico-chemical and electrical properties are changes in the synthesis method and conditions that affect the formation of σ-bonds and π-bonds. The presence of these bonds regulates the number of graphene layers and the formation of van der Waals interactions between them, as well as the formation of edge structural defects responsible for electrokinetic and catalytic properties. Changing the gas medium to a liquid one greatly simplifies the synthesis of graphene. Still, in the case of a liquid nitrogen medium, simultaneously with a 2-dimensional structure, it is possible to form 3-dimensional particles up to tens of nanometers in size. Aqueous medium and plasma-arc synthesis methods are the most attractive for obtaining materials with electron-donor conductivity, which have attractive electrochemical and catalytic properties for use in chemical current sources and fuel cells. Using an aqueous environment requires mandatory further heat treatment at temperatures above 250 0C to separate chemisorbed water from the structure, which complicates the synthesis procedure. The advantage of the plasma-arc method for the synthesis of graphene and other carbon nanostructures is its ability to shorten the stages of the synthesis of graphene, the possibility of modifying them directly during the synthesis process by changing the environment, easy management, and obtaining a clean final product. In the modern practice, this method is limited to obtaining coatings on a solid carrier.
doi_str_mv	10.33609/2708-129X.88.07.2022.29-44
first_indexed	2025-09-24T17:43:46Z
format	Article
fulltext	29 УДК 542.06; 542.8 doi: 10.33609/2708-129X.88.07.2022.29-44 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВ Р. А. Пантелеймонов1, 2 1Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, просп. Акад. Палладіна 32/34, Київ 03142, Україна 2 Міжвідомче відділення електрохімічної енергетики НАН України, просп. Акад. Вернад- ського 38, Київ 03142, Україна e-mail: radik20031@gmail.com Проведено літературний аналіз джерел за методами синтезу та їхнього впливу на структурно-морфологічні, фізико-хімічні й електрохімічні властивості графенів та графеноподібних структур. Встановлено, що ці властивості мають чітку залежність від методу синтезу, вихідних матеріалів та складу середовища синтезу. Розглянуто вплив складу рідкого середовища та температурних чинників на зміну властивостей графенів при використанні синтезу в плазмо-дуговому розряді. Показано, що синтез у рідкому середовищі з використанням плазмо-дугового розряду дає можливість ско- рочення стадій синтезу завдяки модифікації графеноподібних структур активними радикалами, що утворюються в плазмі дуги, та високу чистоту отриманого продукту. Ключові слова: вуглець, графен, синтез, середовище, рідкий азот, вода, адсорбція. ВСТУП. Графен є одним із найцікавіших матеріалів, які досліджують на сьогодні, не тільки з теоретичної точки зору, але й з огляду на потенційні практичні можливо- сті застосування. Це двовимірний матері- ал, який складається з атомів вуглецю, що утворюють шестичленні кільця [1]. Чудо- вою особливістю графену є те, що енергія електронів лінійно залежить від хвильового вектора поблизу точок перетину в зоні Брю- лліена, а енергетична відстань між валент- ною зоною і зоною провідності відсутня, тому носії заряду імітують релятивістські частинки, які найкраще можна описати рівнянням Дірака, а не рівнянням Шредін- гера [2]. Він також проявляє й інші власти- вості, такі як дробовий квантовий ефект Холла за кімнатної температури, ефект ам- біполярного електричного поля, а також ба- лістичну провідність носіїв заряду. Графе- ноподібні зразки з двома шарами (двоша- ровий графен) і більш ніж двома, але менш ніж десятьма шарами (багатошаровий гра- фен) становлять однаковий інтерес [3]. 30 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ Графен з ароматичною структурою має багато вуглець-вуглецевих зв’язків у пло- щині, які забезпечують вільні π-електро- ни та реакційні центри для поверхневих реакцій. Як двомірна система, графен за- безпечує абсолютну межу мініатюризації, принаймні в одному напрямку, і ідеальним чином підходить до сучасних планарних технологій [4]. Рухливість носіїв заряду в графені дося- гає рекордних значень і майже не залежить від їхньої концентрації [5]. Це дає можли- вість його реалізації в реальних приладах балістичного транспорту навіть за кімнат- ної температури, що є перспективним для високочастотних і малошумних елементів мікроелектроніки. Висока оптична про- зорість (коефіцієнт пропускання складає 97,7%), висока провідність, хімічна інерт- ність, а також можливість керування вели- чиною забороненою зоною графену роб лять його перспективним для електроні- ки [6]. Слід додати, що графен, який має ре- кордне значення коефіцієнта теплопровід- ності, розглядають як основу матеріалів для наноелектроніки майбутнього [7]. Ре- алізація величезного потенціалу приклад- ного використання, закладеного в графені, можлива лише в результаті розроблення простих і порівняно недорогих методів от- римання цих матеріалів у макроскопічних кількостях із бажаними характеристиками [8]. Протягом кількох років, що пройшли з моменту відкриття першого методу ви- ділення графену, заснованого на механіч- ному розщепленні графітових шарів [9], зусилля багатьох лабораторій було спрямо- вано на розвиток нових, більш ефективних підходів до вирішення зазначеного завдан- ня. Це призвело до розроблення низки но- вих технологічних підходів до отримання та очищення графену, причому цінність цих технологій виходить за рамки вирі- шення конкретного практичного завдання. Просування в цьому напрямку стимулюва- ло не тільки розвиток нових підходів до от- римання графену, але також розроблення методів дослідження, що дозволяють конт ролювати процедуру одержання цього ма- теріалу та його композитів, стежити за па- раметрами структур у процесі синтезу [10]. Метою огляду стало вивчення методів синтезу та їхній вплив на структурно-мор- фологічні, фізико-хімічні й електрохімічні властивості графенів та графеноподібних структур. Методи синтезу графену та його похід- них. Обговорення методів синтезу зосере- джено переважно на отриманні графену, що не буде потребувати додаткового очи- щення, які дадуть змогу направлено син- тезувати потрібні структури графену, мо- дифікувати його для покращення тієї чи іншої властивості, що в подальшому дуже важливо для використання його в промис- ловості. Про механізми синтезу та детальні дослідження графену повідомлено в дже- релі [11]. Синтез графену можна виконати двома основними способами: низхідними (руйнувальними) і висхідними (будівель- ними) методами. Висхідними методами синтезують гра- фен та його похідні з використанням інших джерел вуглецю, крім графіту. Ці методи створюють графенові матеріали з попе- редників атомарного розміру. Висхідні ме- тоди включають хімічне осадження з паро- вої фази, епітаксійне зростання, газофаз- ний синтез без субстрату, матричний метод 31https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 та тотальний органічний синтез. Незважа- ючи на те, що висхідними методами синте- зують графенові вироби з майже бездефект ною та великою площею поверхні, вони часто пов'язані з високими виробничими витратами та складними операційними на- лаштуваннями [12–16] (Таблиця 1). Методи «згори вниз», такі як механічне та рідкофазне відлущування, окисне відлу- щування – відновлення та дуговий розряд. Ці методи руйнують великі прекурсори на основі вуглецю з утворенням нанорозмір- ного графену. Як правило, деякі низхідні методи мають високу масштабованість і дозволяють отримувати продукцію високої якості, але мають труднощі з отриманням продукції з властивостями, що незмінні у часі, низьким виходом і значною мірою за- лежать від вихідного матеріалу кінцевого графіту [17–20] (Таблиця 1). Таблиця 1 Методи отримання графенових наноструктур Table 1 Methods of obtaining graphene nanostructures. № Назва методу Отримані структури Недоліки Літературні джерела 1. Хімічне осадження з парової фази Графен – низька пропускна здатність; – очищення від залишків каталізатора; – перенесення на інші субстрати; – висока вартість виробництва [12] 2. Епітаксійний ріст Графен – неоднорідні структури – виділення тетрафторетилену [13] 3. Газофазний синтез без субстрату графен – видалення небажаних аморфних ма- теріалів [14] 4. Матричний метод Графен – великий за обсягом етап миття – можливість руйнування графену під час видалення шаблону [15] 5. Тотальний органічний синтез Графен – поява побічних реакцій – контроль якості отриманих структур [16] 6. Механічні розщеплення Графен – очищення графену від клею – контроль якості отриманих структур [17] 7. Окисне відлущування- відновлення відновлений оксид графену – використання токсичних відновників; – низька площа поверхні; – погана електронна провідність [18] 8. Рідкофазне відлущування графен – дефекти на краях та базальних пло- щинах [19] 9. Синтез в плазмо-дуговому розряді графен, вуглецеві нанотрубки, фулерени – висока точність, необхідна для управ- ління процесом – енергоємний характер виробництва. [20] 32 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ На сьогодні найбільшу уваги приділя- ють методам отримання графеноподібних структур, які дозволяють цілеспрямовано модифікувати вихідні матеріали та їхню електронну конфігурацію для формуван- ня потрібної властивості, що дозволить значно розширити область практичного застосування графеноподібного кінцевого продукту [21]. Отже, метод одержання цих структур у плазмо-дуговому розряді дає саме таку можливість. Тому зупинимося на ньому детальніше. Незважаючи на недолі- ки цього методу, плазмо-дуговий розряд із графітовими електродами, що відбува- ється в атмосфері інертного газу, є одним із найбільш ефективних способів перетво- рення кристалічного графіту на вуглецеві поверхневі структури. На основі подібного підходу було розроблено методи отриман- ня фулеренів [22], вуглецевих нанотрубок [23], а також графену [11] у макроскопіч- них кількостях, що зробило ці структури доступними для широкого кола дослідни- ків. а) б) в) Рис. 1 – Схеми будови різних модифікацій вуглецю: а) графен; б) вуглецева нанотрубка; в) фулерен С60 Fig. 1. – Schemes of the structure of various modifications of carbon: a) graphene; b) carbon nanotube; c) fullerene C60. 2. Епітаксійний ріст Графен – неоднорідні структури – виділення тетрафторетилену [13] 3. Газофазний синтез без субстрату графен – видалення небажаних аморфних матеріалів [14] 4. Матричний метод Графен – великий за обсягом етап миття – можливість руйнування графену під час видалення шаблону [15] 5. Тотальний органічний синтез Графен – поява побічних реакцій – контроль якості отриманих структур [16] 6. Механічні розщеплення Графен – очищення графену від клею – контроль якості отриманих структур [17] 7. Окисне відлущування- відновлення відновлений оксид графену – використання токсичних відновників; – низька площа поверхні; – погана електронна провідність [18] 8. Рідкофазне відлущування графен – дефекти на краях та базальних площинах [19] 9. Синтез в плазмо- дуговому розряді графен, вуглецеві нанотрубки, фулерени – висока точність, необхідна для управління процесом – енергоємний характер виробництва. [20] На сьогодні найбільшу уваги приділяють методам отримання графеноподібних структур, які дозволяють цілеспрямовано модифікувати вихідні матеріали та їхню електронну конфігурацію для формування потрібної властивості, що дозволить значно розширити область практичного застосування графеноподібного кінцевого продукту [21]. Отже, метод одержання цих структур у плазмо-дуговому розряді дає саме таку можливість. Тому зупинимося на ньому детальніше. Незважаючи на недоліки цього методу, плазмо-дуговий розряд із графітовими електродами, що відбувається в атмосфері інертного газу, є одним із найбільш ефективних способів перетворення кристалічного графіту на вуглецеві поверхневі структури. На основі подібного підходу було розроблено методи отримання фулеренів [22], вуглецевих нанотрубок [23], а також графену [11] у макроскопічних кількостях, що зробило ці структури доступними для широкого кола дослідників. а) б) в) Рис. 1 – Схеми будови різних модифікацій вуглецю: а) графен; б) вуглецева нанотрубка; в) фулерен С60 Fig.1. – Schemes of the structure of various modifications of carbon: a) graphene; b) carbon nanotube; c) fullerene C60. Особливості синтезу графенів у рідкому середовищі. Як середовище в синтезі графе- нів використовують не тільки гази, а й рі- дини [9]. Крім цього, саме рідини є більш ефективними і зручними для отримання певних графеноподібних структур. Їхнє використання надає низку переваг: мож- ливість створення безперервного синте- зу наноструктур, невеликий конгломерат наноструктур, відсутність використання вакуумної системи, яка є важкою в експлу- атації. Відмітимо також, що рідини дозво- ляють миттєво зупиняти процес перебігу реакцій, що є вирішальним для конденсації вуглецевих структур певного типу: графе- нів, нанотрубок різного діаметру та довжи- ни фулеренів. Крім цього, зазначений метод має низку переваг, а саме: низькі енергетичні затра- ти та витрати реагентів, високу чистоту отриманих наночастинок, малу кількість додаткових хімічних методів очищення від домішок. Це дає змогу отримувати високий вихід кінцевого продукту (до 60 %) та мож- ливість використання деяких продуктів пе- рероблення як вихідних реагентів. Як рідке 33https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 середовище перспективно використовува- ти рідкий азот та дистильовану воду [24]. Вплив складу рідкого середовища на структурні особливості графенів. Склад рідкого середовища, а саме його природа, котра регулює насамперед можливість поя- ви легуючих домішок у кінцевому продукті, є важливим фактором отримання графенів із заданими властивостями. Так, у випадку рідкого азоту такими домішками можуть бути азот або його сполуки, а з водних се- редовищ можливо отримувати окиснені графени, або графени, які містять ОН-гру- пи [24, 25–30, 31]. Синтез графенів із середовища рідкого азоту. При використанні середовища рід- кого азоту атоми азоту здатні впроваджу- ватися в решітку графена різними способа- ми, що характеризуються різними конфігу- раціями міжатомних зв'язків, з яких основ- ні такі, як: заміщаючий (графітоподібний), піридиновий і пірольний. Кожна з цих кон- фігурацій призводить до різних змін елек- тронних властивостей графену. Рис. 2 – Основні типи домішки азоту у графені [25] Відтворено за дозволом видавництва Elsevier Fig. 2 – The main types of nitrogen impurity in graphene [25] Reproduced with permission from Elsevier. Атом азоту містить на один електрон більше, ніж вуглець, отже, в разі прямого заміщення в елементарній комірці знахо- диться три π-електрони. Зайвий електрон заповнює вільні π∗-стан зони провідності, що призводить до підвищення концентра- ції носіїв заряду n-типу і створює потуж- ний легуючий ефект [25]. У разі піридинової конфігурації два електрони азоту беруть участь в утворен- нях σ-зв’язків, один із них – у π-зв’язку, а два електрони, що залишилися, утворюють пару, локалізовану на атомі азоту. В елемен- тарній комірці є вакансія, тому в π-системі не вистачає одного електрона для форму- вання повністю заповненої енергетичної зони. Сусідні елементарні комірки містять по два π-електрони, як у чистому графені. У пірольній конфігурації три електрони утворюють σ-зв'язки, а два, що залишили- ся, заповнюють π-стан. Тому незважаючи на те, що в елементарній комірці є вакансія, 34 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ число електронів у π-системі залишаєть- ся незмінним і легуючий ефект практично відсутній [26]. Заміщуючий азот має най- більш виражений відновлювальний ефект серед різних типів домішок. Крім цього, у разі заміни не порушується кристалічна структура і не утворюються вакансії, що можуть призводити до розсіювання елек- тронів провідності. У роботі [27] було досліджено відсоток утворення кожної з домішок азоту в графе- нових структурах. Вказано, що найбільше утворених включень мали саме піридинові конфігурації. А найменше – азот, що замі- щує домішки. Таким чином вважають, що піридино- ва та пірольна конфігурації не призводять до істотного легування графену, а за азоту, який заміщує домішки, є висока вірогід- ність зберігання високої рухливості носі- їв заряду, що є необхідним в електронних пристроях та сучасних приладах накопи- чення енергії [28]. Однак методами скану- ючої електронної мікроскопії встановлено наявність морфологічних змін при модифі- кації азотом структури графену. Рис. 3. – ТЕМ-зображення N-графену, синтезованого методом CVD [30] Відтворено за дозволом видавництва Elsevier Fig. 3. – TEM image of the N-Grapene synthesized by CVD method [30] Reproduced with permission from Elsevier. У роботі [29] при легуванні азотом гра- фенової структури спостерігають розшире- ні та зім'яті хвилеподібні графенові листи та створено високорозшаровану мезопо- ристу структуру. Основну причину такого роду пористої структури можна пояснити зморшками та складками нанолистів графе- ну, а також запобіганням агломерації графе- нових пластівців, що було підтверджено за допомогою зображень зразків N-графену. 35https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 Також дослідження цих структур підтвер- дили, що розширені листи графену запо- бігають повторному їхньому укладанню (рис. 3). При дослідженні трансмісійною електронною мікроскопією [30] було знай- дено циркуляційні макропори, що утво- рюються на поверхні графену діаметром 5–15 нм. Це, ймовірно, пов’язано з можли- вими утворенням газових продуктів роз- паду під час синтезу, що поглинаються між шарами графену за високих температур. Також після проведення термічного оброб лення спостерігаємо невелике розширен- ня між листами графену. В цьому випадку структура графену складається з кількох рядів графенових пластівців і 3-вимірних частинок розміром кількох десятків нано- метрів. Однак слід відзначити, що всі мето- ди синтезу з використанням плазмо-дуго- вого розряду використовували при нане- сенні графену на підкладку; такі методи in-sity, без підкладки, для синтезу графенів не застосовували. Таким чином властиво- сті графенів, які можна синтезувати таким шляхом, досі залишаються невідомими. Електрохімічні властивості у зразках графенів, що синтезовані гідротермальним методом, де переважаючими видами азоту були піридинові, за якими слідували амід- ний/амінний, пірольний і четвертинний азот, спостерігали залежність електрохі- мічних властивостей від вмісту азоту. Ви- мірювання циклічної вольтамперометрії та спектроскопії імпедансу, проведені на зраз- ках, легованих N і без азоту, показали, що фіксація азоту забезпечила появу псевдо- ємності в матеріалі та покращила дифу- зію іонів з одночасним поширенням вікна електрохімічної стійкості. Високу питому ємність 244 Ф г-1 було отримано за високої швидкості сканування 100 мВ с-1 для N-GO з найвищим вмістом азоту. Було отримано надзвичайну здатність до швидкості заря- дження для N-rGO зі збільшенням швид- кості сканування 98%, тоді як для нелего- ваного rGO було отримано лише 70%. 92% початкової ємності зберігали упродовж 5 000 циклів заряду/розряду завдяки висо- кій стабільності електрохімічно активних частинок азоту [31]. Але гідротермальний метод базується на застосуванні водного середовища, що значно змінює властивості матеріалів. Рис. 4. – Електрохімічні властивості віднов- леного оксиду графену, легованого азотом [31]. Відтворено за дозволу видавництва Elsevier. Fig. 4. – Electrochemical properties of the Ni- trogen-doped reduced graphene oxide[31]. Repro- duced with permission from Elsevier. Синтез графенів із водного середовища. При використанні води та розчинів на її основі у ролі середовища встановлено її вплив на рухливість носіїв заряду в гра- фені та його здатність до окиснення. До- слідженнями [31] було доведено, що вода в графенах знаходиться в двох основних станах: вода, яка адсорбується на поверх- ні першого шару графену, а також вода, яка інтеркалюється в міжшаровий простір дугового розряду використовували при нанесенні графену на підкладку; такі методи in- sity, без підкладки, для синтезу графенів не застосовували. Таким чином властивості графенів, які можна синтезувати таким шляхом, досі залишаються невідомими. Електрохімічні властивості у зразках графенів, що синтезовані гідротермальним методом, де переважаючими видами азоту були піридинові, за якими слідували амідний/амінний, пірольний і четвертинний азот, спостерігали залежність електрохімічних властивостей від вмісту азоту. Вимірювання циклічної вольтамперометрії та спектроскопії імпедансу, проведені на зразках, легованих N і без азоту, показали, що фіксація азоту забезпечила появу псевдоємності в матеріалі та покращила дифузію іонів з одночасним поширенням вікна електрохімічної стійкості. Високу питому ємність 244 Ф г- 1 було отримано за високої швидкості сканування 100 мВ с-1 для N-GO з найвищим вмістом азоту. Було отримано надзвичайну здатність до швидкості зарядження для N-rGO зі збільшенням швидкості сканування 98%, тоді як для нелегованого rGO було отримано лише 70%. 92% початкової ємності зберігали упродовж 5 000 циклів заряду/розряду завдяки високій стабільності електрохімічно активних частинок азоту [31]. Але гідротермальний метод базується на застосуванні водного середовища, що значно змінює властивості матеріалів. Рис. 4. – Електрохімічні властивості відновленого оксиду графену, легованого азотом [31]. Відтворено за дозволу видавництва Elsevier. Fig. 4. – Electrochemical properties of the Nitrogen-doped reduced graphene oxide[31]. Reproduced with permission from Elsevier. Синтез графенів із водного середовища. При використанні води та розчинів на її основі у ролі середовища встановлено її вплив на рухливість носіїв заряду в графені та його здатність до окиснення. Дослідженнями [31] було доведено, що вода в графенах знаходиться в двох основних станах: вода, яка адсорбується на поверхні першого шару графену, а також вода, яка інтеркалюється в міжшаровий простір другого та наступних шарів. При цьому на поверхні графену адсорбція води проходить за рахунок ван-дер- ваальсових або електростатичних сил притягання. Наявність навіть незначної кількості груп кисню можуть значно збільшити як енергію зв’язку, так і передачу заряду між водою та графеном. Серед усіх груп карбоксильна група на графені є найбільш привабливою для молекули води та забезпечує перенесення 0,024 e до графену через утворення двох водневих зв’язків між ними на відміну від зворотного перенесення 0,01 e від первинного графену. Протонування молекул води можна використовувати для подальшого покращення взаємодії вода – графен незалежно від функціональних груп. Виявлено чітко стабільний кластер (H2O)3H+, який розташований у більш глибокому мінімумі після взаємодії з карбоксильною групою на графені. Кожен кластер (H2O)3H+ може отримати 0,084 e від первинного графену та до 0,128 e від графену з карбоксильною групою, що 36 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ другого та наступних шарів. При цьому на поверхні графену адсорбція води про- ходить за рахунок ван-дер-ваальсових або електростатичних сил притягання. Наяв- ність навіть незначної кількості груп кисню можуть значно збільшити як енергію зв’яз- ку, так і передачу заряду між водою та гра- феном. Серед усіх груп карбоксильна група на графені є найбільш привабливою для молекули води та забезпечує перенесення 0,024 e до графену через утворення двох водневих зв’язків між ними на відміну від зворотного перенесення 0,01 e від первин- ного графену. Протонування молекул води можна використовувати для подальшого покращення взаємодії вода – графен неза- лежно від функціональних груп. Виявлено чітко стабільний кластер (H2O)3H +, який розташований у більш глибокому мініму- мі після взаємодії з карбоксильною групою на графені. Кожен кластер (H2O)3H + може отримати 0,084 e від первинного графену та до 0,128 e від графену з карбоксильною групою, що пояснюється великими відмін- ностями у роботах виходу між протоно- ваними кластерами та функціональними групами графену. Ці результати виявляють синергічний ефект функціональних груп кисню та протонування в налаштуванні обміну зарядами між водою та графеном і поглиблюють розуміння гідроелектричних ефектів (рис.4). Рис. 4. – Схема взаємодії поверхні графенів із молекулами води у випадках наявності про тонованих молекул води та присутності гідроксильних та карбоксильних груп [31] Fig. 4. – Scheme of the interaction of the graphene surface with water molecules in the presence of protonated water molecules and the presence of hydroxyl and carboxyl groups [31]. А інтеркаляція води відбувається за ра- хунок хемосорбційних сил, що в подальшо- му призводять до утворення зв’язку відразу з трьома найближчими атомами вуглецю. Через це температура десорбції води з гра- фену є різною: для шару поверхневої води вона складає 50–80 оС, а для інтеркальованої води в міжшаровому просторі це значення 37https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 знаходиться в межах 250–800 оС. Дипольні моменти адсорбатів води викликають ло- кальні електростатичні поля, які можуть зрушувати дефектні стани підкладки по від- ношенню до електронів графену та викли- кати легування. Гібридизацію дефектних станів підкладки зі смугами графену можна зменшити за допомогою води між графеном та підкладкою, що призводить до меншого розсіювання електронів графену на дефек- тах у підкладці. З іншого боку, домішкові смуги можуть зміщуватися до рівня Фермі адсорбатами H2O, що призводить до по- силення розсіювання електронів. Так, для графену на підкладці вода набагато більш ймовірно впливає на електронні власти- вості, ніж для графену, що не має підклад- ки. Вплив води залежить від властивостей субстрату, таких як кількість і тип дефектів [32]. Це спостереження може пояснити екс- перименти з вуглецевими нанотрубками на підкладках кремнію, що набагато чутливіші до води в їхньому оточенні, ніж відокрем- лені від підкладки суспендовані вуглецеві нанотрубки. В експериментах, що аналогіч- ні до проведених в [33, 34], ці ефекти мож- на перевірити для графену: спостерігають утворення електронно-діркових ділянок. Така зміна властивостей під впливом умов синтезу та середовища може бути важливою для розроблення газочутливих пристроїв на основі графену, тому що де- які молекули, такі як NO2, призводять до появи акцепторних станів, тоді як ефекти легування, спричинені іншими молекула- ми, такими як вода, сильно залежать від носія та рН середовища [35]. Але питання, що пов’язане з механізмом впливу води на електричні параметри графенів, залиша- ється актуальним. Зміна електрохімічних властивостей графенів під впливом структурних дефек- тів. Вважалося, що електропровідність гра- фену з ідеальною структурою перевищує відповідний показник для реальних графе- нів, що мають у своїй структурі дефекти. Однак цю думку спростовують результати експериментальних і теоретичних дослі- джень, виконані великою групою вчених із різних країн (Швеція, Чехія, США), яким вдалося виявити ефект зростання електро- провідності графенів у результаті утворен- ня структурних дефектів. Ідеальний гра- фен складається виключно з шестикутних кілець. Присутність п'яти- і семикутних кілець буде призводити до різного роду де- фектів. Наявність п'ятикутних призводить до згортання атомної площини в конус. А присутність семикутних – до утворення сідлоподібних викривлень атомної площи- ни. Комбінація цих дефектів і нормальних шестичленних кілець може призводити до утворення різних форм поверхні залеж- но від методу синтезу, за допомогою якого отримують графен [36]. Якщо нещодавно була тенденція отримання чистого графе- ну з ідеальною структурою, то сучасний напрямок досліджень – це синтез графенів із дефектами. Але для керування провідни- ми властивостями цих матеріалів потрібно знайти метод, який допоможе контролюва- ти та цілеспрямовано формувати дефекти в структурі графену. Окрім рухливості зарядів є інший елек- тричний показник, який пов’язаний з пи- томою площею поверхні графену, яка від- повідає за накопичення електростатично- го заряду та утворення електростатичної ємності. Тому отримання високопорис- тих форм графенів чи композитів на їхній 38 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ основі є теж актуальним завданням, особ ливо для створення суперконденсаторів нової генерації. Як елементи таких компо- зицій для збільшення питомої площі по- верхні найчастіше використовують активо- ване вугілля чи графіти [37]. Із результатів електрохімічних дослі- джень також видно, що на електрохімічні властивості графенів з інтеркальованим азотом можуть впливати коефіцієнт легу- вання азотом і склад азотного зв’язку, або відносне співвідношення між пірольним, піридиновим та графітовим зв’язками [38]. Наприклад, дослідження N-C-каталізато- рів, показало, що N-C-каталізатори з різ- ним коефіцієнтом виділення азоту та скла- дом азотного зв’язку мають різні каталітич- ні характеристики. Дослідження показало, що потенціал спочатку пов’язаний зі скла- дом азотних зв’язків у графені. Зокрема, графени з більш високим відносним відсот ком піридинового та графітового зв’язків показали кращий потенціал на початку, що демонструє кращу активність оберто- вого дискового електроду. Густина струму збільшувалася зі збільшенням коефіцієнта легування азотом через зменшення відсо- тка кисню. Але зменшення густини стру- му відбувалося, коли коефіцієнт легування азотом був понад певне значення. Число переносу електронів розраховують на ос- нові густини струму та питомої поверхні. Тому вплив хімічної структури на числа переносу електронів подібний до впливу на густину струму графену з азотом. Пито- ма поверхня є активною зоною активних центрів у графені. Це пов’язано не тільки з утворенням функціональних груп азоту, а й також із площею поверхні та його пористі- стю [39, 40]. Також встановлено кореляцію кількості шарів у структурі графену на його електрохімічні характеристики. Загалом макроскопічна електрохімічна відповідь графену залежить не тільки від кількості графенових шарів, але й від густини дефек- тів крайових ділянок шарів, що входять до його структури. Зміна структурних де- фектів на цих ділянках призводить до змін електрокінетичних показників матеріалу, тобто дозволяє корегувати ці властивості [41]. Таким чином, електрохімічні показни- ки модифікованого графену можна контро- лювати шляхом регулювання експеримен- тальних умов при синтезі цих структур. ВИСНОВКИ. Основними шляхами зміни структурно-морфологічних, фізико-хіміч- них та електричних властивостей графенів є зміна методу та умов синтезу, що впливають на утворення σ-зв’язків та π-зв'язку. Наяв- ність цих зв’язків регулює кількість шарів графену та утворення ван-дер-ваальсових взаємодій між ними, а також утворення крайових структурних дефектів, що відпо- відають за електрокінетичні та каталітичні властивості. Зміна газового середовища на рідке значно спрощує синтез графенів, але у випадку середовища рідкого азоту вод- ночас із 2-мірною структурою є можливим утворення 3-вимірних частинок розміром до кількох десятків нанометрів. Водне сере- довище та плазмо-дуговий метод синтезу є найбільш привабливим для отримання ма- теріалів з електронно-донорною провідні- стю, що мають привабливі електрохімічні та каталітичні властивості для застосування у хімічних джерелах струму та паливних еле- ментах. Використання водного середовища потребує обов’язкового подальшого тер- мічного оброблення за температур понад 250 0С для відділення хемосорбованої води 39https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 зі структури, що ускладнює процедуру син- тезу. Перевагою плазмо-дугового методу для синтезу графенів та інших карбонових наноструктур є його здатність до скорочен- ня етапів синтезу графенів, можливості їх- нього модифікування безпосередньо в про- цесі синтезу за рахунок зміни середовища, легкого управління та отримання чистого кінцевого продукту, але в сучасній практиці цей спосіб обмежують отриманням покрит- тів на твердий підкладці. Роботу виконано в рамках націо- нального проекту 314E «Фізико-не- органічна хімія функціонально орі- єнтованих наносистем, гетерострук- тур і композитів» НАН України. WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MOR- PHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECT RICAL PROPERTIES OF GRAPHENES R.A. Panteleimonov1, 2 1V.I. Vernadskii Institute of General and Inor- ganic Chemistry NAS of Ukraine, Acad. Palla- din ave, 32/34, Kyiv 03142, Ukraine 2Joint Department of Electrochemical Energy Systems NAS of Ukraine, Acad. Vernadskii ave, 38, Kyiv, 03142, Ukraine e-mail: radik20031@gmail.com A literature analysis of sources on synthe- sis methods and their influence on the struc- tural-morphological, physico-chemical, and electrochemical properties of graphene and graphene-like structures was carried out. It was established that these properties have a clear dependence on the synthesis method, starting materials, and the composition of the synthesis medium. The main ways of changing graphene's structural-morphological, physico-chemical and electrical properties are changes in the synthesis method and conditions that affect the formation of σ-bonds and π-bonds. The presence of these bonds regulates the num- ber of graphene layers and the formation of van der Waals interactions between them, as well as the formation of edge structural de- fects responsible for electrokinetic and cata- lytic properties. Changing the gas medium to a liquid one greatly simplifies the synthesis of graphene. Still, in the case of a liquid nitrogen medium, simultaneously with a 2-dimensional structure, it is possible to form 3-dimension- al particles up to tens of nanometers in size. Aqueous medium and plasma-arc synthesis methods are the most attractive for obtaining materials with electron-donor conductivi- ty, which have attractive electrochemical and catalytic properties for use in chemical cur- rent sources and fuel cells. Using an aqueous environment requires mandatory further heat treatment at temperatures above 250 0C to se parate chemisorbed water from the structure, which complicates the synthesis procedure. The advantage of the plasma-arc method for the synthesis of graphene and other carbon na- nostructures is its ability to shorten the stages of the synthesis of graphene, the possibility of modifying them directly during the synthesis process by changing the environment, easy management, and obtaining a clean final pro duct. In the modern practice, this method is limited to obtaining coatings on a solid carrier. Key words: carbon, graphene, synthesis, en- vironment, liquid nitrogen, water, adsorption. 40 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ ЛІТЕРАТУРА 1. Лозовик Ю. Е., Меркулова С. П., Соколик А. А. Коллективные электронные явления в графене УФН 178, 2008. C. 757–776. doi: 10.3367/UFNr.0178.200807h.0757 2. Морозов С. В., Новоселов К. С., Гейм А. К. Электронный транспорт в графене, УФН, 2008. 178 (7). C. 776–780 doi: 10.3367/UFNr.0178.200807h.0757 3. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S. &Geim A. K. The electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics, 2009. 81(1). P. 109–162. doi: 10.1103/revmodphys.81.109 4. Rao C. N. R., Biswas K., Subrahmanyam K. S. &Govindaraj A. Graphene, the new nanocar- bon. Journal of Materials Chemistry. (2009). 19(17). P. 2457. doi: 10.1039/b815239j 5. Geim A. K. Graphene: Status and Prospects. Science, 2009) 324 (5934). P. 1530–1534. doi: 10.1126/science.1158877 6. Bolotin K. I., Sikes K. J., Jiang Z., Klima M., Fudenberg G., Hone J. ... & Stormer H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid state communications, 2008. 146(9–10). P. 351–355. 7. Avouris P. Graphene: Electronic and Photonic Properties and Devices. Nano Letters, 2010. 10(11). P. 4285–4294. doi: 10.1021/nl102824h 8. Liu W.-W., Chai S.-P., Mohamed A. R. & Ha shim U. Synthesis and characterization of graphene and carbon nanotubes: A review on the past and recent developments. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2014. 20(4). P. 1171–1185. doi: 10.1016/j.jiec.2013.08.028 9. Lee X. J., Hiew, B. Y. Z., Lai, K. C., Lee, L. Y., Gan, S., Thangalazhy-Gopakumar, S., & Rig- by, S. Review on graphene and its derivatives: Synthesis methods and potential industrial implementation. Journal of the Taiwan Insti- tute of Chemical Engineers, 2018. doi: 10.1016/j.jtice.2018.10.028 10. Mohan V. B., Lau K., Hui D. & Bhattacha- ryya D. Graphene-based materials and their composites: A review on production, appli- cations and product limitations. Composites Part B: Engineering, 2018. 142. P. 200–220. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.013 11. Lee H. C., Liu W.-W., Chai S.-P., Mohamed A. R., Aziz A., Khe C.-S., … Hashim U. Re- view of the synthesis, transfer, characterization and growth mechanisms of single and multi- layer graphene. RSC Advances, 2017. 7(26). P. 15644–15693. doi: 10.1039/c7ra00392g 12. Son M. & Ham M.-H. Low-temperature syn- thesis of graphene by chemical vapor deposi- tion and its applications. FlatChem., 2017) 5. P. 40–49. doi: 10.1016/j.flatc.2017.07.002 13. Yazdi G., Iakimov T., &Yakimova R. Epitaxi- al Graphene on SiC: A Review of Growth and Characterization. Crystals, 2016. 6(5). P. 53. doi: 10.3390/cryst6050053 14. Dato A. &Frenklach M. Substrate-free mic rowave synthesis of graphene: experimental conditions and hydrocarbon precursors. New Journal of Physics, 2010. 12(12). 125013. doi: 10.1088/1367-2630/12/12/125013 15. Yang Y., Liu R., Wu J., Jiang X., Cao P., Hu X., … Su Y. Bottom-up Fabrication of Graphene on Silicon/Silica Substrate via a Facile Soft- hard Template Approach. Scientific Reports, 2015. 5(1). doi: 10.1038/srep13480 16. Novoselov K. S. Electric Field Effect in Atomi cally Thin Carbon Films. Science, 2004. 306(5696). P. 666–669. doi:10.1126/science.1102896 17. Chua C. K. &Pumera M. Chemical reduction of graphene oxide: a synthetic chemistry view- point. Chem. Soc. Rev., 2014. 43(1). P. 291– 312. doi: 10.1039/c3cs60303b 18. Emiru T. F. &Ayele D. W. Controlled synthesis, characterization and reduction of graphene oxide: A convenient method for large scale production. Egyptian Journal of Basic and Ap- plied Sciences, 2017. 4(1). P. 74–79. doi: 10.1016/j.ejbas.2016.11.002 41https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 19. Haar S., Bruna, Lian M., Tomarchio J. X., Oli vier F., Mazzaro Y., R. Samorì P. Liquid-Phase Exfoliation of Graphite into Single- and Few-Layer Graphene with α-Functionalized Alkanes. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2016. 7(14). P. 2714–2721. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b01260 20. Wang C., Sun L., Dai X., Li D., Chen X., Xia W. & Xia W. Continuous synthesis of graphene nano-flakes by a magnetically rotating arc at atmospheric pressure. Carbon, 2019. 148. P. 394–402. doi: 10.1016/j.carbon.2019.04.015 21. Zhou Y., Wang N., Muhammad J., Wang D., Duan Y., Zhang X., … Zhang Z. Graphene nanoflakes with optimized nitrogen doping fabricated by arc discharge as highly efficient absorbers toward microwave absorption. Car- bon, 2019. 148. P. 204–213. doi: 10.1016/j.carbon.2019.03.034 22. Kyesmen P. I., Onoja A. & Amah A. N. Ful lerenes synthesis by combined resistive heating and arc discharge techniques. SpringerPlus. (2016). 5(1). doi: 10.1186/s40064-016-2994-7 23. Poudel Y. R. & Li W. Synthesis, properties, and applications of carbon nanotubes filled with foreign materials: a review. Materials Today Physics, 2018. 7. P. 7–34. doi: 10.1016/j.mtphys.2018.10.002 24. Panteleimonov R., Boichuk O., Pershina K., &Ogenko V. Impact of the graphene synthe- sis and concentration conditions on electrical parameters of graphene – graphite system. Ukrainian Chemistry Journal, 2021. 87(8). P. 127–137. doi: 10.33609/2708-129X.87.08.2021.127-137 25. Talukder N., Wang Y., Nunna B. B. & Lee E. S. Nitrogen-doped graphene nanomaterials for electrochemical catalysis/reactions: A review on chemical structures and stability. Carbon, 2021, 185. P. 198–214. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.025 26. Karimzadeh A., Hasanzadeh M., Shadjou N. & Guardia, M. de la. Optical bio (sensing) us- ing nitrogen doped graphene quantum dots: Recent advances and future challenges. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2018. doi: 10.1016/j.trac.2018.08.012 27. Kaur M., Kaur M. & Sharma V. K. Nitrogen- doped graphene and graphene quantum dots: A review onsynthesis and applications in en- ergy, sensors and environment. Advances in Colloid and Interface Science, 2018. doi: 10.1016/j.cis.2018.07.001 28. Reddy B. J., Vickraman P. & Justin A. S. Elec- trochemical performance of nitrogen-doped graphene anchored nickel sulfide nanoflakes for supercapacitors. Applied Surface Science, 2019. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.03.292 29. Jalili S. &Vaziri R. Study of the electronic properties of Li-intercalated nitrogen doped graphite. Molecular Physics, 2011. 109(5). 687–694. doi:10.1080/00268976.2010.547523 30. Zhuang S., Nunna B. B., Mandal D. & Lee E. S. A review of nitrogen-doped graphene catalysts for proton exchange membrane fuel cells-syn- thesis, characterization, and improvement. Nano-Structures & Nano-Objects, 2018. 15. P. 140–152. doi: 10.1016/j.nanoso.2017.09.003 31. Śliwak A., Grzyb B., Díez N. & Gryglewicz G. Nitrogen-doped reduced graphene oxide as electrode material for high rate supercapa citors. Applied Surface Science, 2017. 399. P. 265–271. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.12.060 32. Xu Y., Tian B., Fang S., Guo W. & Zhang Z. Probing the interaction of water molecules with oxidized graphene by first principles. The Journal of Physical Chemistry, 2021. 125(8). 4580-4587. 33. Kim W., Javey A., Vermesh O., Wang Q., Li Y. & Dai H. Hysteresis Caused by Water Mole- cules in Carbon Nanotube Field-Effect Tran- sistors. Nano Letters, 2003. 3(2). P. 193–198. doi: 10.1021/nl0259232 34. Verdaguer A., Sacha, G. M. Bluhm, H. & Sal meron M. Molecular Structure of Water at Interfaces: Wetting at the Nanometer Scale. Chemical Reviews, 2006. 106 (4). P. 1478– 1510. doi: 10.1021/cr040376l 42 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ 35. Du X., Skachko I., Barker A. & Andrei E. Y. Approaching ballistic transport in suspended graphene. Nature Nanotechnology, 2008. 3(8). P. 491–495. doi: 10.1038/nnano.2008.199 36. Panchal V., Cedergren K., Yakimova R., Tza lenchuk A., Kubatkin S. &Kazakova O. Small epitaxial graphene devices for magnetosensing applications. Journal of Applied Physics, 2012. 111(7). P. 07E509. doi: 10.1063/1.3677769 37. Jafri S. H. M., Carva K., Widenkvist E., Blom T., Sanyal B., Fransson J., … Leifer K. Conductivity engineering of graphene by de- fect formation. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010. 43(4). P. 045404. doi: 10.1088/0022-3727/43/4/045404. 38. Jahanshahi M., Morad Rashidi A. & Asghar Ghoreyshi A. Synthesis and characterization of thermally-reduced graphene. Iranian (Ira nica) Journal of Energy & Environment, 2013. 4(1). 39. Zhuang S., Nunna B. B., Boscoboinik J. A. & Lee E. S. Nitrogen-doped graphene catalysts: High energy wet ball milling synthesis and characterizations of functional groups and particle sizevariation with time and speed. In- ternational Journal of Energy Research, 2017. 41(15). P. 2535–2554. doi: 10.1002/er.3821 40. Chen D., Tao Q. Liao L. W. Liu, S. X. Chen, Y. X. & Ye S. Determiningthe Active Surface Area forVarious Platinum Electrodes. Electrocata lysis, 2011. 2(3). P. 207–219. doi: 10.1007/s12678-011-0054-1 41. Tang Longhua, Ying Wang, Yueming Li, Hong- bing Feng, Jin Lu and Jinghong Li. Prepara- tion, structure, and electrochemical properties of reduced graphene sheet films. Advanced Functional Materials 19, no. 17. 2009. P. 2782– 2789. REFERENCES 1. Lozovik Yu. E., Merkulova S. P., Sokolik A. A. Collective electronic phenomena in graphe me. UFN 178. 2008. 757–776. doi: 10.3367/UFNr.0178.200807h.0757 2. Morozov S. V., Novoselov K. S., Geim A. K. Electron transport in grapheme. UFN. 2008. 178: 776–780. doi: 10.3367/UFNr.0178.200807h.0757 3. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S. &Geim A. K. The electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics. 2009. 81(1): 109–162. doi: 10.1103/revmodphys.81.109 4. Rao C. N. R., Biswas K., Subrahmanyam K. S. &Govindaraj A. Graphene, the new nanocar- bon. Journal of Materials Chemistry. 2009. 19(17): 2457. doi: 10.1039/b815239j 5. Geim A. K. Graphene: Status and Prospects. Science. 2009. 324(5934): 1530–1534. doi: 10.1126/science.1158877 6. Bolotin K. I., Sikes K. J., Jiang Z., Klima M., Fudenberg G., Hone J. ... & Stormer H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid state communications. 2008. 146(9–10): 351–355. 7. Avouris P. Graphene: Electronic and Photon- ic Properties and Devices. Nano Letters. 2010. 10(11): 4285–4294. doi: 10.1021/nl102824h 8. 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 In- dustrial and Engineering Chemistry. 2014. 20(4): 1171–1185. doi: 10.1016/j.jiec.2013.08.028 9. Lee X. J., Hiew B. Y. Z., Lai K. C., Lee L. Y., Gan S., Thangalazhy-Gopakumar S. & Rigby S. Review on graphene and its derivatives: Syn- thesis methods and potential industrial imple- mentation. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2018. doi: 10.1016/j.jtice.2018.10.028 10. Mohan V. B., Lau K., Hui D. & Bhattacharyya D. Graphene-based materials and their com- posites: A review on production, applications and product limitations. Composites Part B: Engineering. 2018. 142: 200–220. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.013 11. Lee H. C., Liu W.-W., Chai S.-P., Mohamed 43https://ucj.org.ua Р. А. Пантелеймонов УХЖ № 7 / ТОМ 88 A. R., Aziz A., Khe, C.-S. … Hashim U. Review of the synthesis, transfer, characterization and growth mechanisms of single and multilayer graphene. RSC Advances. 2017. 7(26): 15644– 15693. doi: 10.1039/c7ra00392g 12. Son M. & Ham M.-H. Low-temperature syn- thesis of graphene by chemical vapor deposi- tion and its applications. FlatChem. 2017. 5: 40–49. doi: 10.1016/j.flatc.2017.07.002 13. Yazdi G., Iakimov T. &Yakimova R. Epitaxial Graphene on SiC: A Review of Growth and Characterization. Crystals. 2016. 6(5): 53. doi: 10.3390/cryst6050053 14. Dato A. &Frenklach M. Substrate-free mi- crowave synthesis of graphene: experimental conditions and hydrocarbon precursors. New Journal of Physics. 2010. 12(12): 125013. doi: 10.1088/1367-2630/12/12/125013 15. Yang Y., Liu R., Wu J., Jiang X., Cao P., Hu X., … Su Y. Bottom-up Fabrication of Graphene on Silicon/Silica Substrate via a Facile Soft- hard Template Approach. Scientific Reports. 2015. 5(1): 1–7. doi: 10.1038/srep13480 16. Novoselov K. S. Electric Field Effect in Ato mically Thin Carbon Films. Science. 2004. 306(5696): 666–669. doi:10.1126/science.1102896 17. Chua C. K. &Pumera M. Chemical reduction of graphene oxide: a synthetic chemistry view- point. Chem. Soc. Rev. 2014. 43(1): 291–312. doi: 10.1039/c3cs60303b 18. Emiru T. F. &Ayele D. W. Controlled synthesis, characterization and reduction of graphene oxide: A convenient method for large scale production. Egyptian Journal of Basic and Ap- plied Sciences. 2017. 4(1): 74–79. doi: 10.1016/j.ejbas.2016.11.002 19. Haar S., Bruna M., Lian J. X., Tomarchio F., Olivier Y., Mazzaro R., … Samorì P. Liquid- Phase Exfoliation of Graphite into Single- and Few-Layer Graphene with α-Functionalized Alkanes. The Journal of Physical Chemistry Let- ters. 2016. 7(14): 2714–2721. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b01260 20. Wang C., Sun L., Dai X., Li D., Chen X., Xia W. & Xia W. Continuous synthesis of graphene nano-flakes by a magnetically rotating arc at atmospheric pressure. Carbon. 2019. 148: 394– 402. doi: 10.1016/j.carbon.2019.04.015 21. Zhou Y., Wang N., Muhammad J., Wang D., Duan Y., Zhang X., … Zhang Z. Graphene nanoflakes with optimized nitrogen doping fabricated by arc discharge as highly efficient absorbers toward microwave absorption. Car- bon. 2019. 148: 204–213. doi: 10.1016/j.car- bon.2019.03.034 22. Kyesmen P. I., Onoja A. & Amah A. N. Ful lerenes synthesis by combined resistive heat- ing and arc discharge techniques. SpringerPlus. 2016. 5(1): 1–7. doi: 10.1186/s40064-016-2994-7 23. Poudel Y. R. & Li W. Synthesis, properties and applications of carbon nanotubes filled with foreign materials: a review. Materials To- day Physics. 2018. 7: 7–34. doi: 10.1016/j.mt- phys.2018.10.002 24. Panteleimonov R., Boichuk O., Pershina K. &Ogenko V. Impact of the graphene synthe- sis and concentration conditions on electri- cal parameters of graphene – graphite sys- tem. Ukrainian Chemistry Journal. 2021. 87(8): 127–137. doi: 10.33609/2708-129X.87.08.2021.127-137 25. Talukder N., Wang Y., Nunna B. B. & Lee E. S. Nitrogen-doped graphene nanomaterials for electrochemical catalysis/reactions: A review on chemical structures and stability. Carbon. (2021). 185: 198–214. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.025 26. Karimzadeh A., Hasanzadeh M., Shadjou N. & Guardia M. de la. Optical bio(sensing) us- ing nitrogen doped graphene quantum dots: Recent advances and future challenges. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2018. doi: 10.1016/j.trac.2018.08.012 27. Kaur M., Kaur M. & Sharma V. K. Nitro- gen-doped graphene and graphene quantum dots: A review onsynthesis and applications in 44 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2022 ШЛЯХИ ЗМІНИ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГІЧНИХ, ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГРАФЕНІВФІЗИЧНА ХІМІЯ energy, sensors and environment. Advances in Colloid and Interface Science. 2018. doi: 10.1016/j.cis.2018.07.001 28. Reddy B. J., Vickraman P. & Justin A. S. Elec- trochemical performance of nitrogen-doped graphene anchored nickel sulfide nanoflakes for supercapacitors. Applied Surface Science. 2019. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.03.292 29. Jalili S. &Vaziri R. Study of the electronic pro perties of Li-intercalated nitrogen doped gra phite. Molecular Physics. 2011. 109(5): 687– 694. doi:10.1080/00268976.2010.547523 30. Zhuang S., Nunna B. B., Mandal D. & Lee E. S. A review of nitrogen-doped graphene catalysts for proton exchange membrane fuel cells-syn- thesis, characterization, and improvement. Nano-Structures & Nano-Objects. 2018. 15: 140–152. doi: 10.1016/j.nanoso.2017.09.003 31. Śliwak A., Grzyb B., Díez N. & Gryglewicz G. Nitrogen-doped reduced graphene oxide as electrode material for high rate supercapaci- tors. Applied Surface Science. 2017. 399: 265– 271. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.12.060 32. Xu Y., Tian B., Fang S., Guo W. & Zhang Z. Probing the interaction of water molecules with oxidized graphene by first principles. The Journal of Physical Chemistry. 2021. 125(8): 4580–4587. 33. Kim W., Javey A., Vermesh O., Wang Q., Li Y. & Dai H. Hysteresis Caused by Water Mole- cules in Carbon Nanotube Field-Effect Tran- sistors. Nano Letters. 2003. 3(2): 193–198. doi: 10.1021/nl0259232 34. Verdaguer A., Sacha G. M., Bluhm H. & Salm- eron M. Molecular Structure of Water at Inter- faces: Wetting at the Nanometer Scale. Chemi- cal Reviews. 2006. 106(4): 1478–1510. doi: 10.1021/cr040376l 35. Du X., Skachko I., Barker A. & Andrei E. Y. Approaching ballistic transport in suspended graphene. Nature Nanotechnology. 2008. 3(8): 491–495. doi: 10.1038/nnano.2008.199 36. Panchal V., Cedergren K., Yakimova R., Tza lenchuk A., Kubatkin S. &Kazakova O. Small epitaxial graphene devices for magnetosensing applications. Journal of Applied Physics. 2012. 111(7): 07E509. doi: 10.1063/1.3677769 37. Jafri S. H. M., Carva K., Widenkvist E., Blom T., Sanyal B., Fransson J., … Leifer K. Conduc- tivity engineering of graphene by defect for- mation. Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. 43(4): 045404. doi: 10.1088/0022-3727/43/4/045404. 38. Jahanshahi M., Morad Rashidi A. & Asghar Ghoreyshi A. Synthesis and characterization of thermally-reduced graphene. Iranian (Ira nica) Journal of Energy & Environment. 2013. 4(1). 39. Zhuang S., Nunna B. B., Boscoboinik J. A. & Lee E. S. Nitrogen-doped graphene catalysts: High energy wet ball milling synthesis and characterizations of functional groups and particle sizevariation with time and speed. In- ternational Journal of Energy Research. 2017. 41(15): 2535–2554. doi: 10.1002/er.3821 40. Chen D., Tao Q., Liao L. W., Liu S. X., Chen Y. X. & Ye S. Determiningthe Active Surface Area forVarious Platinum Electrodes. Electrocataly- sis. 2011. 2(3): 207–219. doi: 10.1007/s12678-011-0054-1 41. Tang Longhua, Ying Wang, Yueming Li, Hong- bing Feng, Jin Lu and Jinghong Li. Preparation, structure, and electrochemical properties of reduced graphene sheet films. Advanced Func- tional Materials. 2009. 19(17): 2782–2789. Стаття надійшла 19.07.2022.
id	oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-466
institution	Ukrainian Chemistry Journal
keywords_txt_mv	keywords
language	English
last_indexed	2026-07-23T01:08:31Z
publishDate	2022
publisher	V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
record_format	ojs
resource_txt_mv	ucjorgua/79/1fde6d5d6fb320f5a1b21510155c2879.pdf
spelling	oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-4662026-07-22T08:23:49Z WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES Panteleimonov, Radyslav carbon, graphene, synthesis, environment, liquid nitrogen, water, adsorption. A literature analysis of sources on synthesis methods and their influence on the structural-morphological, physico-chemical, and electrochemical properties of graphene and graphene-like structures was carried out. It was established that these properties have a clear dependence on the synthesis method, starting materials, and the composition of the synthesis medium. The main ways of changing graphene's structural-morphological, physico-chemical and electrical properties are changes in the synthesis method and conditions that affect the formation of σ-bonds and π-bonds. The presence of these bonds regulates the number of graphene layers and the formation of van der Waals interactions between them, as well as the formation of edge structural defects responsible for electrokinetic and catalytic properties. Changing the gas medium to a liquid one greatly simplifies the synthesis of graphene. Still, in the case of a liquid nitrogen medium, simultaneously with a 2-dimensional structure, it is possible to form 3-dimensional particles up to tens of nanometers in size. Aqueous medium and plasma-arc synthesis methods are the most attractive for obtaining materials with electron-donor conductivity, which have attractive electrochemical and catalytic properties for use in chemical current sources and fuel cells. Using an aqueous environment requires mandatory further heat treatment at temperatures above 250 0C to separate chemisorbed water from the structure, which complicates the synthesis procedure. The advantage of the plasma-arc method for the synthesis of graphene and other carbon nanostructures is its ability to shorten the stages of the synthesis of graphene, the possibility of modifying them directly during the synthesis process by changing the environment, easy management, and obtaining a clean final product. In the modern practice, this method is limited to obtaining coatings on a solid carrier. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2022-08-26 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/466 10.33609/2708-129X.88.07.2022.29-44 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 88 No. 7 (2022): Ukrainian Chemistry Journal; 29-44 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 88 ##issue.no## 7 (2022): Ukrainian Chemistry Journal; 29-44 Український хімічний журнал; Том 88 № 7 (2022): Український хімічний журнал; 29-44 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/466/239 Copyright (c) 2022 Radyslav Panteleimonov https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0
spellingShingle	Panteleimonov, Radyslav WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title	WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title_full	WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title_fullStr	WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title_full_unstemmed	WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title_short	WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES
title_sort	ways of changing the structural-morphological, physico-chemical and electrical properties of graphenes
topic_facet	carbon graphene synthesis environment liquid nitrogen water adsorption.
url	https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/466
work_keys_str_mv	AT panteleimonovradyslav waysofchangingthestructuralmorphologicalphysicochemicalandelectricalpropertiesofgraphenes

WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECT­RICAL PROPERTIES OF GRAPHENES

Institution

Ähnliche Einträge

WAYS OF CHANGING THE STRUCTURAL-MORPHOLOGICAL, PHYSICO-CHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF GRAPHENES