Millstone-Peeling:ein echtes Scher-Peeling für großflächiges, wenige Schichten Graphenoxid

Hintergrund

Ausgezeichnete Eigenschaften [1] von Graphen haben zu umfangreichen Studien zu ihren Anwendungen in Feldeffekttransistoren [2, 3], Sensoren [4, 5], transparenten Elektroden [6, 7] und anderen Bereichen [8,9,10] geführt ]. Für solche Anwendungen ist es wichtig, Graphen mit hoher Qualität und einem erschwinglichen Preis [11] sowie großen Abmessungen zu haben, um das Problem der Konnektivität zwischen den Partikeln zu minimieren [12]. Folglich wurden verschiedene Methoden zur Herstellung von Graphen eingeführt, wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) [13] und das epitaktische Wachstum [14]. Diese Methoden erzeugten hochwertiges Graphen mit großer Größe, hatten jedoch hohe Kosten. Die Exfoliation von billigem natürlichem Graphit führte andererseits zu kostengünstigem Graphen, aber die Größe von Graphen war durch die Größe von reinem Graphit begrenzt, wobei manchmal noch kleineres Graphen aufgrund von Fragmentierung bei der Exfoliation berichtet wurde.

Physikalische Exfoliation, wie Beschallung [15, 16], Kugelmahlen [17, 18] und Scher-Exfoliation [19, 20], produzierte hochwertiges Graphen, aber diese Methoden produzierten im Allgemeinen Graphen mit geringer Größe und geringer Ausbeute [21] . Im Vergleich dazu produzierte die chemische Exfoliation im Allgemeinen größeres Graphenoxid (GO) mit höherer Ausbeute [22] als die physikalische Exfoliation, aber das produzierte GO war im Allgemeinen kleiner als das reine Graphit. Dies wurde auf die Fragmentierung zurückgeführt, die durch die zusätzliche Exfoliation wie Beschallung verursacht wurde, die nach der Oxidation durchgeführt wurde, um die Ausbeute an GO oder Large-size-Now-Layer-Graphenoxid (FLGO) zu erhöhen [23]. Darüber hinaus könnte die Oxidationsfragmentierung unter harten Oxidationsbedingungen [24, 25] eine Rolle gespielt haben.

Um eine solche Fragmentierung zu vermeiden und großformatige GO zu erzeugen, können daher zwei mögliche Ansätze in Betracht gezogen werden. Eine ist die Optimierung der Oxidationsbedingungen, um eine vollständige Oxidations-Abblätterung mit minimaler Oxidations-Fragmentierung zu erzielen, und die andere ist die Modifikation der bestehenden Abblätterungsverfahren oder die Einführung einer neuen Methode, um eine vollständige Ablösung ohne oder eine minimale Fragmentierung zu ermöglichen. Darüber hinaus wäre es notwendig, großformatigen Graphit zu verwenden, da die GO-Größe durch die Größe des reinen Graphits begrenzt ist. Tatsächlich berichteten Studien an Millimeter- bis wenigen Hundert Mikrometer-Grafit [26,27,28,29,30,31] über einen viel größeren GO als diejenigen, die mit dem weit verbreiteten 325-Mesh-Grafit erhalten wurden [22].

Bezüglich des ersten Ansatzes wurden in der Literatur drei Arten von Oxidationsbedingungen untersucht:(1) zweistufige Oxidation [26,27,28,29]; (2) Herstellung von Graphiteinlagerungsverbindung (GIC) oder expandiertem Graphit, gefolgt von Exfoliation [32,33,34]; und (3) Oxidation unter härteren Bedingungen als denjenigen, die bei der Hummers-Methode verwendet werden [35,36,37]. Diese Methoden produzierten viel größeres GO als die zuvor berichteten Methoden, aber die GO-Größe war immer noch kleiner als die des reinen Graphits, was darauf hindeutet, dass eine Oxidationsfragmentierung auftrat [24, 25].

Beim zweiten Ansatz ist eine umfassende Überprüfung der bestehenden Methoden erforderlich, wenn eine Modifizierung oder Einführung einer neuen Methode angestrebt wird. Eine milde Beschallung erzeugte viel größeres GO als die konventionelle Beschallung, aber das GO war immer noch kleiner als das reine Graphit [37,38,39], was darauf hindeutet, dass ein hoher Grad an Fragmentierung auftrat. Andererseits erzeugte leichtes Schütteln [30, 36, 40] GO mit einer Größe ähnlich [30] oder etwas kleiner [40] als die Größe des reinen Graphits, was eine geringe Fragmentierung zeigt, aber die Ausbeute war sehr gering. Darüber hinaus verwendeten Ang und Mitarbeiter [35] das Refluxieren des schwach oxidierten GTO, um GO zu produzieren, wodurch eine Größe von 330 μm ² . erzeugt wurde (~ 18 μm), aber die Größe des unberührten Graphits wurde nicht angegeben, was es schwierig macht zu bestimmen, ob eine Fragmentierung aufgetreten ist oder nicht. Refluxieren wurde auch mit großem Graphit (80 mesh, 178 μm max) in DMF mit Harnstoff versucht, wodurch Graphen von 10 μm in sehr geringer Ausbeute erzeugt wurde [31].

Wie aus diesen ersichtlich, ist es möglicherweise nicht möglich, große GO mit hoher Ausbeute zu erhalten, wenn die bestehenden Verfahren verwendet werden, selbst bei Verwendung eines großen Graphits, was darauf hindeutet, dass die Suche nach einem neuen Verfahren der bessere Ansatz sein könnte. Vor diesem Hintergrund erregte Scher-Peeling, eine der physikalischen Peeling-Methoden, unsere Aufmerksamkeit, da erwartet wird, dass es wenig oder keine Fragmentierung ergibt, wodurch große FLGO bereitgestellt werden. Entgegen den Erwartungen wurde jedoch über kleine FLGOs berichtet, was darauf hindeutet, dass ein hoher Grad an Fragmentierung aufgrund des Hochgeschwindigkeitsmischers [10, 19] aufgetreten sein könnte, der für die Scherexfoliation verwendet wurde. Es wird angenommen, dass die Klinge des Mixers eher eine hohe Stoßkraft als eine echte Scherkraft auf das Graphitoxid (GTO) ausübte, was zu einem hohen Grad an Fragmentierung zusammen mit Abblättern führte.

Dies führte uns dazu, nach einem neuen Gerät zu suchen, das in der Lage ist, eine echte Scherkraft für die Exfoliation zu erzeugen, sodass die Scherkraft parallel zur Graphenschicht verläuft. In diesem Sinne erscheinen zwei parallele Platten, die sich gegeneinander bewegen oder drehen, als eine vielversprechende Konfiguration, die auf eine mühlensteinartige Vorrichtung hindeutet, bei der der Laufstein gegen den stationären Bettstein rotiert. In dieser Studie wurde daher ein neues Gerät auf Mühlsteinbasis für die Exfoliation von GTO eingeführt, um die Fragmentierung zu minimieren und großformatige FLGOs herzustellen. Darüber hinaus wurde mild oxidierter Graphit (MOG) verwendet, um FLGO mit guten Eigenschaften und hoher Ausbeute zu liefern, wie bereits berichtet [41].

Methoden

Materialien

Naturgraphit (325 mesh, 99,8 %, Metallbasis) wurde von Alfa Aesar (Ward Hill, MA, USA) und KMnO₄ . bezogen (ACS-Reagenz,> 99%) wurde von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) geliefert. HCl (extra rein,> 35%), H₂ SO₄ (extra rein,> 95%), und H₂ O₂ (extra rein,> 35%) wurden von OCI (Korea) bezogen.

Design und Herstellung von Mühlstein

Die Mühlstein(MS)-Vorrichtung wurde so konstruiert, dass die obere Glasplatte (Laufstein) gegen die stationäre Bodenplatte (Bettstein) rotiert, um eine Scherkraft zu erzeugen (Abb. 1). Zunächst wurden echte Steinplatten getestet, gefolgt von Stahlplatten, die jedoch nicht flach genug waren, um eine reibungslose Rotation zu gewährleisten, und sich auch nur schwer in die gewünschte Form bringen ließen. Auf der anderen Seite waren Glasplatten viel einfacher zu bearbeiten, während ihre Transparenz es ermöglichte, den Fortschritt des Peelings zu verfolgen. Eine Glasplatte von 10 mm Dicke wurde auf einen Durchmesser von 35 cm geschnitten und sandgestrahlt, gefolgt von Schleifen mit einem Schleifmittel, um eine ebene und glatte Oberfläche zu gewährleisten. An der Oberseite der Platte wurde ein Elektromotor mit Drehzahlregler angebracht, um die Rotation mit Strom zu versorgen.

Schematische Darstellung eines Mühlsteins zum Abblättern von Graphit

Leichte Oxidation von Naturgraphit

Mild oxidierter Naturgraphit (MOG) wurde über die modifizierte Hummers-Methode, wie bereits früher veröffentlicht [41], hergestellt und für die MS-Exfoliation verwendet, um wenigschichtiges Graphenoxid (FLGO) mit guten Eigenschaften und hoher Ausbeute zu liefern. Eine kurze Beschreibung der Zubereitung von MOG lautet wie folgt:Nach dem Aufladen von 46 ml H₂ SO₄ in einen Rundkolben in einem 20 °C warmen Wasserbad wurden 2 g Naturgraphit zugegeben, gefolgt von der langsamen Zugabe von 4 g KMnO₄ . Die Mischung wurde 30, 60 oder 90 min gerührt (MOG-30, MOG-60 bzw. MOG-90) und in eine 2-l-Flasche gefüllt mit 1,8 l entionisiertem Wasser (DIW) gegossen, in die die H₂ O₂ Lösung wurde hinzugefügt.

Die MOG-Lösung wurde in einen 2-l-PP-Mesh-Mess Zylinder überführt und das DIW wurde auf 2 l zugegeben. Nach dem Altern über Nacht wurde das obere Wasser dekantiert und der Zylinder mit 10 % HCl-Lösung gefüllt. Der Vorgang des Dekantierens und Befüllens mit HCl-Lösung wurde zweimal wiederholt. Der Vorgang wurde dann noch dreimal mit DIW wiederholt und die Lösung wurde auf eine Konzentration von 2 mg/ml eingestellt. Als nächstes wurde das Pfropfen von Aryldiazoniumsalzen der Sulfonsäure (ADS) über das einstufige Verfahren durchgeführt, um die Wasserdispersion zu verbessern, wie bereits berichtet [42]. Schließlich wurde die Lösung durch Zentrifugation bei 4 k U/min für 30 Minuten gereinigt, um das nicht umgesetzte ADS zu entfernen.

Exfoliation von MOG mit Millstone

Die MS-Exfoliation wurde zuerst an der MOG-60-Lösung durchgeführt, indem die Umdrehungen pro Minute und die Konzentration der MOG-Lösung variiert wurden, um die Ausbeute an FLGO bei minimaler Fragmentierung zu maximieren. Zuerst wurde die Umdrehungszahl der oberen Platte von 10 auf 50 mit 10 ml einer 1 mg/ml-Lösung geändert. Ungefähr 1 ml der wässrigen MOG-Lösung wurde in den an der oberen Platte angebrachten Trichter zugeführt, gefolgt von einer Rotation mit einer gegebenen U/min. Als die Lösung verbraucht war, wurde 1 ml in den Trichter gegeben und der Vorgang wiederholt, bis die gesamte Lösung von 10 ml aufgebraucht war. Am Ende des Peelings wurden 10 ml des DIW verwendet, um das restliche FLGO auszuwaschen, das zwischen den beiden Glasplatten verbleiben kann.

Als nächstes wurde die Wirkung der Lösungskonzentration (0,5, 1 und 2 mg/ml) bei 30 U/min untersucht, wie oben beschrieben. Darüber hinaus wurde ein weiteres Peeling versucht, indem das MS-Peeling zwei- oder dreimal mit derselben Lösung wiederholt wurde. Eine Lösung mit einer Konzentration von 1 mg/ml wurde bei 30 U/min verwendet und das Waschen mit DIW wurde nur einmal nach dem letzten Peeling durchgeführt. Die Reproduzierbarkeit wurde bestätigt, indem für jede Lösung mindestens dreimal eine MS-Exfoliation durchgeführt wurde. Schließlich wurden auch die Lösungen von MOG-30 und MOG-90 zum Vergleich untersucht. Die Lösungen wurden einer Dialyse unter Verwendung einer Zellulosemembran (Spectrum Labs, d .) unterzogen = 25,5 mm, MWCO = 6–8 kDa), um die Proben für die TEM- und AFM-Analyse und für Schichtwiderstandsmessungen vorzubereiten.

Charakterisierung von MOG und FLGO

Zur Messung der Absorption bei 660 nm für MOG-Lösungen nach Oxidation und nach Exfoliation wurde UV-Vis-Spektroskopie (Agilent, 8453) durchgeführt. TEM (Jeol-2100, Japan) und AFM (XE-100, Park Systems, Korea) wurden auch für die Charakterisierung von FLGO verwendet. Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, Jeol, JSM-7500F, Japan) wurde bei 10 keV zur Charakterisierung von MOG und abgeblättertem MOG unter Verwendung von mit Pt beschichteten Proben durchgeführt. Der Schichtwiderstand wurde mit der 4-Punkt-Sondenmethode (CMT-SR2000, Changmin Tech., Korea) gemessen und das Probengewicht wurde auf ~ 2 mg kontrolliert. Mindestens drei Proben wurden gemessen und die Ergebnisse wurden gemittelt. Die Ausbeute wurde aus dem Gewicht des Niederschlags und des Überstands nach der Zentrifugation der 10-ml-Lösung bei 1 k U/min für 2 h berechnet. Außerdem wurde die Ausbeute auch aus der UV-Vis-Absorption der Kopflösung nach dem Zentrifugieren und der MOG-Lösung vor dem Zentrifugieren berechnet.

Ergebnisse und Diskussion

Leichte Oxidation von Naturgraphit

Nach der modifizierten Hummers-Methode hergestellte Lösungen von leicht oxidiertem Graphit (MOG) lieferten UV-Vis-Absorptionen von 7,8, 9,9 und 11,2 für MOG-30, MOG-60 bzw frühere Studie [41], da sie bei 660 nm statt bei 750 nm gemessen wurden, was auf eine leichte Oxidation hindeutet. Wie aus der vorherigen Studie [41] erwartet wurde, gab es einen hohen Grad an Oxidation-Abblätterung, aber bei allen Proben wurden ziemlich dicke MOG-Platten mit etwas kantenerweitertem MOG beobachtet, was zeigt, dass eine milde Oxidation stattfand (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 ). REM-Aufnahmen nach der ADS-Pfropfung zeigten für alle Proben ziemlich dünne (~ 1 μm) MOG-Platten (Abb. 2), aber nur MOG-30 zeigte die kantenerweiterte Struktur (Abb. 2a), was darauf hindeutet, dass während der Pfropfung eine weitere Exfoliation stattfand Prozess. Die SEM-Analyse ergab auch eine laterale Größe von MOG von bis zu ~ 20 μm, die mit der Größe von großen (20~30 μm) und kleinen (< 10 μm) Graphitpartikeln der erhaltenen Probe verglichen werden kann (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1d). Dies zeigt, dass bei der Oxidation wenig Fragmentierung auftrat, möglicherweise aufgrund einer milden Oxidation.

REM-Aufnahmen von leicht oxidiertem Graphit und MS-abgeblättertem MOG, a MOG-30, b MOG-60, c MOG-90, d MOG-30-MS, e MOG-60-MS und f MOG-90-MS

Optimierung der Rotationsgeschwindigkeit für MS-Peeling

Zuerst wurde die U/min des MS-Peelings optimiert, indem sie von 10 auf 20, 30, 40 und 50 variiert wurde, wobei die MOG-60-Lösung mit einer Konzentration von 1 mg/ml verwendet wurde. Mit zunehmender Drehzahl blieb die Absorption bei 10, 20 und 30 U/min nahezu unverändert und nahm dann bei 40 und 50 U/min leicht ab, was eine UV-Vis-Absorption von 28,1, 28,2, 28,6, 27,2 bzw. 26,5 ergab (Abb. 3a .). ). Ein ähnlicher Trend wurde auch bei der Lösung nach Zentrifugation bei 1 k U/min für 30 Minuten beobachtet (Abb. 3a). Es ist anzumerken, dass dies der Stribeck-Kurve sehr ähnlich ist, die einen unveränderten Reibungskoeffizienten im Grenzbereich, aber einen verringerten Reibungskoeffizienten im gemischten Bereich mit zunehmender Geschwindigkeit zeigt. Daher kann man sagen, dass die UV-Vis-Absorption bei 10, 20 und 30 U/min aufgrund der nahezu konstanten Reibungskraft im Randbereich praktisch unverändert bleibt, während die UV-Vis-Absorption bei 40 und 50 U/min aufgrund der verringerte Reibungskraft im gemischten Regime, was zu einer verringerten Exfoliation von MOG-Platten führt.

UV-Vis-Absorption von MS-exfoliierter MOG-Lösung. Wirkung von a MS-Rotationsgeschwindigkeit, b Lösungskonzentration, c Anzahl der Wiederholungen, d Oxidationszeit und e Oxidationszeit mit Zentrifugations-U/min und f Vergleich von MS und Ultraschall-Peeling

Darüber hinaus betrug die benötigte Zeit für das MS-Peeling bei 10 U/min 90 Minuten, während 70, 45, 35 und 25 Minuten bei 20, 30, 40 bzw. 50 U/min benötigt wurden. Aufgrund dieser Überlegungen wurde die Drehzahl von 30 als optimale Drehzahl für diese Studie gewählt. Wie bereits erwähnt, zeigte die UV-Vis-Absorption von MS-abgeblätterten Proben eine Zunahme von bis zu ~ 300 % (bei 30 U/min), was die hervorragende Abblätterungsfähigkeit der vorgeschlagenen MS demonstriert.

Optimierung der Konzentration der MOG-Lösung

Wenn die Konzentration der MOG-Lösung von 1 mg/ml auf 0,5 oder 2 mg/ml bei 30 U/min variiert wurde, wurde eine UV-Vis-Absorption von 28,3 bzw. 27,7 erhalten (Abb. 3b). Es wird angenommen, dass der erstere Wert der Absorption von 28,6 ähnlich ist, die aus der 1 mg/ml-Lösung erhalten wurde, da die Konzentration niedrig genug ist (0,5 mg/ml), um die vollständige Trennung jeder MOG-Platte ohne Stapeln zu ermöglichen. Dies würde für jede MOG-Platte eine maximale Scherkraft bereitstellen und zu einem maximalen Grad an Exfoliation führen. Andererseits ist die etwas geringere Absorption aus der 2 mg/ml-Lösung auf das Vorhandensein einer gewissen Stapelung in den MOG-Platten aufgrund der hohen Konzentration zurückzuführen, die zum Verrutschen der MOG-Platten und damit zu einem geringeren Exfoliationsgrad führte. Trotz der ähnlichen Ergebnisse, die mit 0,5 und 1 mg/ml-Lösungen erhalten wurden, wurde letztere bevorzugt, da für das Peeling eine viel kürzere Zeit erforderlich war (45 Minuten im Gegensatz zu 80 Minuten für erstere). Die UV-Vis-Absorption nach Zentrifugation bei 1 k U/min für 30 Minuten zeigte ebenfalls den gleichen Trend, was die Auswahl einer 1 g/ml-Lösung als optimale Konzentration für diese Studie unterstützt.

Auswirkung einer Wiederholung des MS-Peelings

Da ein MS-Peeling nur einmal durchgeführt wurde, um die oben genannten Bedingungen zu optimieren, wurde versucht festzustellen, ob wiederholte Peelings zu weiteren Peelings führen würden. Wenn das MS-Peeling mit der MOG-60-Lösung mit einer Konzentration von 1 mg/ml bei 30 U/min durchgeführt wurde, wurde eine UV-Vis-Absorption von 28,3, 28,6 und 28,9 für eine, zwei bzw. drei Exfoliationsrunden erhalten ( Abb. 3c). Es ist zu erkennen, dass die Werte einander sehr ähnlich sind, was darauf hindeutet, dass wiederholte Peelings nicht erforderlich sind. Die Absorption nach Zentrifugation bei 1 k rpm für 30 Minuten zeigte einen ähnlichen Trend. Daher wurde eine einzelne Peelingrunde zusammen mit einer Konzentration von 1 mg/ml und 30 U/min als optimale Bedingungen ausgewählt.

Auswirkung der Oxidationszeit auf die MS-Exfoliation

Die Lösungen von MOG-30 und MOG-90 zeigten unter optimalen Bedingungen UV-Vis-Absorptionen von 26,2 bzw. 26,3, die etwas niedriger sind als 28,6 von MOG-60 (Abb. 3d). Die geringere Aufnahme von MOG-30 ist auf den geringeren Exfoliationsgrad zurückzuführen, möglicherweise auf den geringeren Oxidationsgrad. Die geringere Absorption bei MOG-90 kann jedoch durch das beschädigte sp ² . erklärt werden Kohlenstoffbindungen, die aus einem hohen Oxidationsgrad resultieren, trotz des höheren Grades der Exfoliation, da das beschädigte sp ² Kohlenstoffbindung trägt nicht zur UV-Vis-Absorption bei. Dieser Trend ähnelt dem, der für das Ultraschall-Peeling von MOG-Lösung berichtet wurde [41].

Es ist interessant festzustellen, dass die UV-Vis-Absorption mit der Oxidationszeit nach der Zentrifugation zunahm (Abb. 3d), was darauf hindeutet, dass die Anzahl der FLGO aufgrund der erhöhten Exfoliation mit der Oxidationszeit zunahm. Dies unterscheidet sich von dem, was vor der Zentrifugation beobachtet wurde, und kann durch den Exfoliationsgrad erklärt werden, der in der Größenordnung von MOG-30, MOG-60 und MOG-90 zunimmt, was wiederum zu der höchsten Anzahl von FLGO mit MOG- 90, gefolgt von MOG-60 und MOG-30.

Mit zunehmender Zentrifugations-U/min nahm die UV-Vis-Absorption von MOG-90 fast linear ab (Abb. 3e), was auf eine nahezu gleichmäßige Verteilung von FLGO (Größe oder Gewicht) hindeutet. Andererseits zeigte MOG-60 einen ziemlich schnellen Abfall bei niedrigen Drehzahlen, aber einen relativ langsamen Abfall bei hohen Drehzahlen. Ein ähnliches Verhalten wurde bei MOG-30 beobachtet, jedoch mit einer viel schnelleren Abnahme bei niedrigen Drehzahlen. Dies kann durch die Anzahl der vorhandenen schweren (oder großen) FLGO erklärt werden, die in der Größenordnung von MOG-30, MOG-60 und MOG-90-Lösung abnimmt, und zeigt an, dass ein niedrigerer Oxidationsgrad zu einem niedrigeren Grad an Peeling. Wie bereits erwähnt, wurden jedoch unabhängig von der Oxidationszeit bei einer Zentrifugation mit 4 k U/min sehr ähnliche UV-Vis-Absorptionen beobachtet, was darauf hindeutet, dass bei allen Lösungen bei der MS-Exfoliation ein sehr geringer Fragmentierungsgrad auftrat.

Andererseits zeigte die UV-Vis-Absorption der MS-exfoliierten MOG-60-Lösung ein ganz anderes Verhalten (Abb. 3f) als die der gleichen Lösung nach der Beschallung (24 h). Letztere zeigten eine viel langsamere Abnahme der UV-vis-Absorption, was auf eine viel höhere Anzahl kleiner FLGOs zurückzuführen ist, die auf den höheren Fragmentierungsgrad durch Beschallung zurückzuführen sind. Dies wurde durch die geringe Größe (< 1 μm) von FLGO nach der Beschallung gestützt, wie bereits berichtet [43].

Die REM-Analyse ergab dünne MOG-Platten (vor der Exfoliation), die nach der MS-Exfoliation nicht mehr beobachtet wurden (Abb. 2). Allerdings wurden bei allen MOG-Lösungen gelegentlich gewalzte oder teilweise gewalzte MOG-Platten beobachtet (Abb. 2). Es wird angenommen, dass solche Strukturen durch Scherkräfte von MS-Exfoliation gebildet werden. Andererseits zeigte die TEM-Analyse von FLGO von MOG-60 eine laterale Größe von bis zu ~ 10 μm (Abb. 4a, b), und ähnliche TEM-Mikroaufnahmen wurden von MOG-30 und MOG-90 erhalten (Zusätzliche Datei 1 :Abbildung S2). In Anbetracht der Größe von Graphit (20–30 μm) (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1d) kann es bei der MS-Exfoliation zu einer gewissen Fragmentierung kommen. Dies kann mit Ultraschall-Peelings verglichen werden, die im Allgemeinen ~ 1 μm oder kleinere FLGOs zeigten [43]. Natürlich sind auch viele kleinere FLGOs (< 10 μm) nach der MS-Exfoliation vorhanden, wahrscheinlich aufgrund der geringen Größe des erhaltenen Graphits, zusammen mit einem gewissen Grad an Fragmentierung. Die AFM-Analyse zeigte auch FLGO (MOG-60) mit einer ähnlichen Größe (~ 10 μm) wie im TEM beobachtet, was eine erfolgreiche Exfoliation mit geringer Fragmentierung belegt (Abb. 4c). Darüber hinaus zeigte das AFM eine Dicke von ~ 1 nm, was ~ 3 Schichten entspricht, was auf eine gute Exfoliation hinweist. Ähnliche AFM-Ergebnisse wurden wie erwartet auch von MOG-30 und MOG-90 erhalten (zusätzliche Datei 1:Abbildung S3). Natürlich wurde sowohl im TEM als auch im AFM auch viel dickeres FLGO beobachtet.

TEM (a, b ) und AFM-Aufnahme (c ) von MS-exfoliated MOG-60 und Dickenprofil (d )

Die berechnete Ausbeute an FLGO stieg mit der Oxidationszeit und lieferte 36, 51 bzw. 65 % für MOG-30, MOG-60 und MOG-90. Diese Werte können mit 35, 47 und 56 % verglichen werden, die aus UV-Vis-Absorptionsmessungen erhalten wurden. Es ist ersichtlich, dass die gewichtsbezogene Ausbeute höher ist als die Ausbeute aus UV-Vis-Absorption. Dies wird FLGO mit beschädigtem sp ² zugeschrieben Kohlenstoffbindungen, die zwar zum Gewicht, aber nicht zur UV-Vis-Absorption beitragen können. Im Vergleich zu 19, 55 und 73 % Ausbeute, die durch Ultraschall-Peeling erzielt wurde [41], kann man sehen, dass die Ausbeute für MOG-30, MOG-60 bzw. MOG-90 höher, ähnlich oder niedriger ist. Die höhere Ausbeute mit MOG-30 kann auf ein echtes Scher-Peeling zurückgeführt werden, das vom Oxidationsgrad viel weniger beeinflusst wird als ein Ultraschall-Peeling. Mit anderen Worten, das Ultraschall-Peeling ist aufgrund seiner durch Fragmentierung induzierten Peeling stark vom Oxidationsgrad abhängig. Schließlich betrug der gemessene Schichtwiderstand 3,2 × 10 ² . , 4.3 × 10 ³ , und 2,5 × 10 ⁴ Ω/□ für MOG-30, MOG-60 bzw. MOG-90 (Tabelle 1). Erwartungsgemäß stiegen diese Werte mit der Oxidationszeit an und ähnelten den Werten, die bei einem Ultraschall-Peeling erhalten wurden. Solche Ergebnisse können durch das Vorhandensein von nur wenigen großen FLGO erklärt werden, die keinen signifikanten Einfluss auf den Schichtwiderstand hatten.

Schlussfolgerungen

Ein Mahlstein wurde erfolgreich mit zwei Glasplatten hergestellt und zum Abblättern von leicht oxidiertem Graphit verwendet. Die optimalen Bedingungen für das MS-Peeling, die durch Variieren der Umdrehungen pro Minute (10–50), der Lösungskonzentration (0,5–2 mg/ml) und der Anzahl der Peelings (1–3 Mal) erreicht wurden, waren 30 U/min, 1 mg/ ml und eine Runde Peeling. Die TEM- und AFM-Analyse zeigte sehr dünnes FLGO (~ 1 nm) mit einer Größe von ~ 10 μm und zeigte, dass eine erfolgreiche Exfoliation mit geringer Fragmentierung stattfand, verglichen mit dem unberührten Graphit (20–30 μm). Die REM-Analyse zeigte gelegentlich kantengewalztes FLGO, das einer echten Scherablösung zugeschrieben wurde. Die Ausbeute an FLGO aus der Gewichtsmessung betrug 36, 51 bzw. 65% für MOG-30, MOG-60 und MOG-90. Ein Vergleich mit 19, 55 und 73 %, die bei einem Ultraschall-Peeling erhalten wurden, zeigte, dass bei MOG-30 mit MS-Peeling ein viel besseres Peeling auftrat, wahrscheinlich aufgrund eines echten Scher-Peelings. Der Schichtwiderstand war jedoch ähnlich den zuvor berichteten Ergebnissen und zeigte, dass die Anzahl der großen FLGO, die über MS erhalten wurde, nicht groß war.