Verbesserung der kristallinen und elektrischen Eigenschaften von gefilterten, abgeblätterten Graphitplatten durch eine Strom- und Wärmebehandlung in der Ebene

Einführung

Fortschrittliche Kohlenstoffmaterialien besitzen aufgrund ihrer Flexibilität, ihres Gewichts und ihrer Umweltbeständigkeit Vorteile gegenüber vielen Metallen für die Verwendung in Blechen. Diese Folien (auch Filme genannt) mit Kohlenstoffnanoröhren oder Graphit haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen für flexible Elektronik, Sensoren und elektromagnetische Abschirmung als nützlich erwiesen [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11]. Die hohe elektrische Leitfähigkeit ist ein weiterer untersuchter Bereich, der eine Leistungssteigerung in Anwendungen wie Hochfrequenz, passiven Mikrowellenkomponenten und Membranen ermöglicht [10,11,12]. Mehrere Gruppen haben zuvor über die Herstellung von Platten oder Filmen auf Graphitbasis mit ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeiten im Bereich von 100–10.000 S·cm ⁻¹ . berichtet mit Methoden, die von der Exfoliation von Graphit oder der Pyrolyse von Polymeren reichen [12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Ohnishi et al. demonstrierten die direkte Herstellung von Graphitfilmen durch Pyrolyse aromatischer Polymere bei 3000 °C, die eine elektrische Leitfähigkeit von 10.000 S·cm ⁻¹ . aufwiesen [21]. Darüber hinaus haben Song et al. demonstrierten die Herstellung von Graphitfolien für flexible Hochfrequenzantennen (RF) durch Kombination einer Hochtemperaturbehandlung von Polymervorstufen und Druckwalzen, die eine elektrische Leitfähigkeit von 11.000 S·cm ⁻¹ . aufwies [12]. Im krassen Gegensatz dazu haben Behabtu et al. berichteten über die Herstellung von Graphitplatten durch Vakuumfiltration von wenigen geschichteten Graphenen aus abgeblättertem Graphitpulver, die eine elektrische Leitfähigkeit von 1100 S·cm ⁻¹ . aufwiesen [22]. Darüber hinaus haben Lotya et al. berichtete über eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von abgeblättertem Graphit-Dünnfilm (Dicke 30 nm) von 0,35 auf 15 S·cm ⁻¹ durch Tempern der abgeblätterten Folie bei 250°C in Argon (Ar)/N₂ für 2 h [23]. Wanget al. zeigte, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der großflächigen, leitfähigen und flexiblen Membran aus reduziertem Graphenoxid (RGO) von 57,3 auf 5510 S·cm ⁻¹ . verbesserte [24]. Diese Beispiele zeigen, dass die lösungsbasierte Verarbeitung zwar einen einfacheren Herstellungsweg darstellt als die Hochtemperaturpyrolyse von aromatischen Polymeren, jedoch nicht das gleiche Maß an elektrischer Leitfähigkeit erreicht werden kann. Interessanterweise zeigten mehrere, insbesondere Song et al. [12] und Lotya et al. [23] reicht ein einstufiger Prozess nicht aus, um elektrisch hochleitfähige Platten zu erzeugen. Dies ist analog zur Herstellung von Kohlefasern, die mehrere Schritte verwendet, einschließlich Erhitzen, Dehnung und Karbonisierung, um die Menge an kristallinen Defekten zu minimieren und die Zugfestigkeit von ~ 2 auf ~ 10  GPa zu erhöhen [25].

Motiviert durch diese Ansätze berichten wir über einen Ansatz zur Herstellung elektrisch hochleitfähiger Graphitfilme durch einfaches Abblättern und eine Wärme- und Strombehandlung. Unter Verwendung von durch Vakuumfiltration hergestellten Graphitplatten umfasst die Behandlung gleichzeitiges Erhitzen in einer neutralen Gasumgebung in Kombination mit einem elektrischen Stromfluss in der Ebene. Bei einer Behandlungszeit von nur 1 Minute wird die elektrische Leitfähigkeit um das Doppelte auf 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ . verbessert erreicht werden konnte. Die Strukturanalyse der behandelten Graphenschichten zeigte eine 30-fache Verbesserung der Kristallinität (bestimmt durch Raman-Spektroskopie), die gut mit der beobachteten Leitfähigkeitserhöhung korrelierte.

Methoden/Experimental

Graphit-Peeling und Blattvorbereitung

Graphitfolien wurden durch Filtration einer Dispersion von abgeblättertem Graphitpulver hergestellt. Kommerziell erhältliches hochgereinigtes Graphitpulver (ACB-100) wurde von Nippon Graphite Industries, Co., Ltd. bezogen, das aus Partikeln von ~ 80 µm Größe mit einer Dicke von 500 bis 1000 nm bestand. 2 mg dieses Graphitpulvers wurden mit 50 mg Dodecylbenzolsulfonsäure (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) als Dispergiermittel in 10 ml Hydrofluorether (C₄&sub2; F₉ OC₂ H₅ , Novec 7200 in 3,0 µM, Oberflächenspannung; 13,6 mN·m ⁻¹ ). Die Exfoliation wurde durch Kugelmahlen (Verder Scientific Co., Ltd.) unter Verwendung von Edelstahlkugellagern für 30 min bei 10 Hz durchgeführt. Nach der Kugelmühlen-Exfoliation wurden die Größe und Dicke der Graphitflocken durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) auf ~ 500 nm bzw. ~ 45 nm reduziert (ergänzende Abb. 1a). Daher enthielten die dispergierten Flocken im Durchschnitt ~ 130 Graphen. Die Dispersion wurde vakuumfiltriert, um freistehende Blätter zu bilden. Nach der Filtration besaßen abgeblätterte Graphitplatten Dicken zwischen 27 und 48 µm (durchschnittlich 35 µm), wie durch ein Dickenmessgerät (Dektak XT, Bruker) charakterisiert. Das SEM-Bild, die Raman-Spektren und die XPS-Spektren dieser abgeblätterten Graphitfolie sind in ergänzender Abb. 1b-d gezeigt. Diese Platten wurden in destilliertem Wasser gespült, um Restchemikalien zu entfernen, und dann 24 Stunden lang bei 100 °C an der Luft getrocknet [26]. Schließlich wurden die Platten einachsigem Druck (~ 0.5 MPa) ausgesetzt, um die Packungsdichte und die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen (Abb. 1b).

a Konzeptabbildung zur Veranschaulichung der Wärme- und Stromnachbehandlung für gefilterte, abgeblätterte Graphitplatten. b Herstellungsverfahren der Blähgraphitfolie aus den gekauften Graphitflocken zu einer Blähgraphitdispersion und zur Folie. c Primärkomponenten (Kammer, Heizer und Elektroden) der Behandlungsvorrichtung (links) und die beiden Konfigurationen zum Durchleiten von Strom in der Ebene oder durch die Ebene (rechts)

Ausrüstung und Verfahren für Wärme- und Stromtechnik

Im Allgemeinen besteht die Verarbeitungsausrüstung für gleichzeitiges Erhitzen und Stromfluss aus drei Teilen:(1) einer Kammer, die für niedriges Vakuum bis Atmosphärendruck geeignet ist, um die Umgebung zu kontrollieren, (2) ein Hochfrequenz-Induktionsheizsystem (bis zu 2000 ° C) und (3) gegenüberliegende kreisförmige Elektroden (10 mm Durchmesser) aus isotropem Graphit zum Anlegen eines hohen Stroms (maximal 266  A bei 120  V oder ~ 850  A·cm ⁻² DC). Das System ist in einem früheren Bericht ausführlich beschrieben [27, 28]. In dieser Versuchsreihe wurde eine Ar-Umgebung verwendet.

Wichtig für diese aktuelle Untersuchung war das Design der gegenüberliegenden koplanaren Elektrodenkontaktflächen, um sowohl einen Stromfluss in der Ebene als auch durch den Strom zu ermöglichen (Abb. 1c). Für die Stromkonfiguration durch die Ebene wurde das Blatt zwischen den zwei gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen angeordnet, wie in Fig. 1c dargestellt. Für die Stromkonfiguration in der Ebene, wie in der ergänzenden Fig. 2 dargestellt, wurden speziell geformte Elektroden mit einer rechteckigen Aussparung hergestellt, um das Einsetzen einer elektrisch isolierenden Zirkoniumdioxidplatte zu ermöglichen. Auf diese Weise wird das Blech zwischen den beiden benutzerdefinierten Kontakten eingelegt, der Stromfluss verläuft jedoch in der Ebene der Probe. Um die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Behandlung zu bestätigen, wurde jedes Experiment fünfmal durchgeführt, und die Durchschnittswerte und Standardabweichungen sind angegeben. Wir möchten darauf hinweisen, dass diese Behandlung kein in-situ-CVD-Prozess ist, da keine Ausgangsvorläufer eingeführt werden, um das Wachstum zu initiieren. Dieser Prozess liefert nur Energie durch eine Kombination von Wärme und elektrischem Strom, um die Heilung von Defekten in den Graphenschichten zu induzieren.

Die Standardbehandlungszeit wurde mit 1 min gewählt, da unsere Ergebnisse der zeitabhängigen Wirkung der Behandlung zeigten, dass für 30 s nur eine nominelle Verbesserung und für über 1,5 min eine Schädigung der Graphenstruktur beobachtet wurde. Der Schaden wurde durch eine Abnahme des G/D-Verhältnisses nachgewiesen, wie in der ergänzenden Fig. 3a gezeigt. Unter Verwendung der 1-minütigen Behandlungszeit wurde die Standardbehandlungstemperatur bestimmt, indem die Temperaturabhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 800 bis 1000  ^° . untersucht wurde C (Ergänzende Abb. 3b).

Charakterisierungen

Der Oberflächenwiderstand der abgeblätterten Graphitfilme wurde unter Verwendung eines elektrischen Messtesters mit vier Sonden (Loresta GP MCP-T610, Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.) durchgeführt.

Die strukturelle Charakterisierung wurde mit Röntgenbeugung (XRD) Cu Kα (λ =0,15418 nm, MiniFlex II, Rigaku Corporation) untersucht. Der Zwischenschichtabstand wurde unter Verwendung der Braggschen Beugungsformulierung (1) geschätzt;

wo d ist der Zwischenschichtabstand (der theoretische Zwischenschichtabstand von Graphit beträgt 0,335 nm).

Die Intensitätsverhältnisse von Raman-Graphit zu Unordnung (G/D-Verhältnis) der abgeblätterten Graphitfilme vor und nach der Wärme- und Strombehandlung wurden unter Verwendung eines Raman-Spektrometers (XploRA, HORIBA, Ltd.) bei einer Anregungswellenlänge von 532 nm (Abtastfläche ) untersucht 100 µm). Nach Basislinienkorrektur der erhaltenen Raman-Spektren, jede Peakintensität von 1300 bis 1400 cm ⁻¹ (D-Band) und 1580 bis 1620 cm ⁻¹ (G-Band) wurde gemessen. Außerdem wurden die Lage und Intensität des 2D-Peaks relativ zur G-Bande beobachtet. Um eine umfassende und genaue Probenahme des Blattes bereitzustellen, wurden Raman-Messungen an 10 über die Graphitfilme verteilten Positionen durchgeführt, und jede Bandenintensität des Raman-G/D-Verhältnisses wurde berechnet und gemittelt. Die detaillierten Messbedingungen waren wie folgt:Spektroskop:Detektor vom Typ Czerny Turner mit 200 mm Brennweite, Auflösung (Spaltbreite 100 µm):2–15 cm ⁻¹ , und Laserleistung 20–25 mW.

Ergebnisse und Diskussion

Wir beginnen unseren zweistufigen Prozess mit der Charakterisierung der elektrischen Leitfähigkeit der vakuumfiltrierten Graphitplatten. Wie im Abschnitt „Methoden/Experiment“ beschrieben, wurde die elektrische Leitfähigkeit der ~ 35 μm dicken (durchschnittlichen) Bleche mit einem Vier-Sonden-Messgerät für den spezifischen elektrischen Widerstand gemessen. Die durchschnittliche elektrische Leitfähigkeit betrug 1088 ± 72 S·cm ⁻¹ die sich gut mit anderen gefilterten Graphit- und Graphenplatten vergleichen lässt.

Diese Platten wurden dann der Wärme- und Strombehandlung unterzogen, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Unsere Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit und den Vorteil der gleichzeitigen Erwärmung und des Stromflusses in der Ebene zur Verbesserung der Graphitplatteneigenschaften. Wir haben eine kombinierte Behandlung von Stromfluss und Erwärmung angewendet, wie zuvor für einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) beschrieben [27, 28]. Unter Verwendung einer Heiztemperatur von 900°C untersuchten wir die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des behandelten Blechs als Funktion der angelegten Stromdichte in der Ebene. Für jeden Punkt wurde die Temperatur auf 900°C erhöht und der Strom in der Ebene (0 bis 850 A·cm ⁻² ) wurde 1 min lang bestanden. Die elektrische Leitfähigkeit jedes Blattes wurde gemessen und aufgetragen (Fig. 2b). Die Auftragung der elektrischen Leitfähigkeit des Blechs gegen die angelegte Stromdichte zeigte einen starken Anstieg gegenüber dem Wert wie vorbereitet (1088 ± 72 S·cm ⁻¹ ) bis zu 2250 ± 50 S·cm ⁻¹ bei 550 A·cm ⁻² , gefolgt von einer Abnahme bei erhöhten Stromdichten (850 A·cm ⁻² ) (Abb. 2b). Basierend auf der Abnahme der Raman-G/D-Verhältnisse (85,3 ± 5,7 bei 550 A·cm ^–2 bis 10,7 ± 1,0 bei 850 A·cm ⁻² ) vermuten wir, dass die beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit bei Stromdichten über ~ 550 A·cm ⁻² ist das Ergebnis einer strukturellen Degradation durch Mechanismen wie Elektromigration. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde die optimale Behandlungsbedingung für eine Ar-Gas-Umgebung mit 550 A·cm ^–2 . bestimmt bei 900°C. Diese Ergebnisse zeigen die Effektivität und den Vorteil der gleichzeitigen Nutzung von Wärme und Stromfluss.

a Elektrische Leitfähigkeit der Graphitplatten für den behandelten Fall und nach unterschiedlichen Behandlungsbedingungen. b Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der angelegten Stromdichte für verschiedene Behandlungsbedingungen (Nur-Strom, Wärme- und In-Plane-Strom sowie Wärme- und Durchgangs-Strom.) Nur Erhitzen und wie vorbereitet sind als Referenz enthalten.

Um die Bedeutung der kombinierten Erwärmung und der Behandlung mit elektrischem Stromfluss in der Ebene zu überprüfen, führten wir mehrere Kontrollexperimente durch, bei denen eine (1) reine Erwärmungsbehandlung, (2) eine reine Strombehandlung und (3) eine kombinierte Erwärmung und Durchleitung verwendet wurden -Ebene Stromfluss. Kurz gesagt, keine andere Prozessbedingung zeigte das äquivalente Niveau der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit wie oben beschrieben. Zuerst wurde die reine Erwärmungsbehandlung bei 900 und 1500 °C in einer Ar-Umgebung für 5 h durchgeführt. Ähnlich den Ergebnissen, die für CNTs beobachtet wurden, zeigte nur das Erhitzen eine beobachtbare Verbesserung bei Temperaturen von 1500 °C oder darüber [29]. Wie in Abb. 2a (grün) zusammengefasst, führte die Behandlung bei 900°C zu einer nominellen Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit (1215 ± 70 S·cm ⁻¹ ) und die Behandlung bei 1500 °C führte zu einem signifikanteren Anstieg auf ~1812 ± 79 S·cm ⁻¹ . Darüber hinaus beobachteten wir in beiden Fällen eine leichte Gewichtsabnahme (~ 3%), die wahrscheinlich auf die Entfernung, möglicherweise Entgasung, von Restchemikalien aus dem Peeling-Prozess zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass allein durch Erhitzen die elektrische Leitfähigkeit von Graphitplatten verbessert werden kann, jedoch Temperaturen über 1500 °C und eine Behandlungszeit von mehreren Stunden erforderlich sind.

Zweitens untersuchten wir die Wirkung einer reinen Strombehandlung. In diesem Test floss elektrischer Strom für mehrere Proben in der Ebene von 175 bis 850  A·cm ^–2 . für 1 Minute Behandlungszeit. Nach der Behandlung zeigten die Platten keine merkliche Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit (blauer Balken in Abb. 2a, Dreieck in Abb. 2b). Dieses Ergebnis zeigt die Unwirksamkeit dieser nur aktuellen Behandlung. Wir vermuten, dass die durch den Strom verursachte ohmsche Erwärmung nicht ausreicht, um eine signifikante Änderung der Kristallinität und der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht zu bewirken.

Drittens, um die Bedeutung der Stromflussrichtung (durch die Ebene versus in der Ebene) im kombinierten Wärme- und Stromprozess zu demonstrieren, wurde der Stromfluss durch die Ebene auf einer Reihe von Graphitplatten geleitet, wobei die Elektroden ohne die isolierenden Aluminiumoxidplatten verwendet wurden wie im Abschnitt „Methoden/Experiment“ beschrieben. Die Graphitplatten wurden Stromdichten im Bereich von 175 bis 850 A·cm ^–2 . ausgesetzt , und die elektrische Leitfähigkeit wurde gemessen und als Funktion des angelegten Stroms aufgetragen (Abb. 2b). Aus diesem Plot machen wir mehrere Beobachtungen. Erstens ist die Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit bei relativ geringen angelegten Strömen sofort präsent. Bei der niedrigsten angelegten Stromdichte (150 A·cm ⁻² ) erhöhte sich die elektrische Leitfähigkeit der Graphitfolie um etwa 70 %. Zweitens führte eine weitere Erhöhung des angelegten Stroms zu keiner weiteren Verbesserung. Drittens steigt die elektrische Leitfähigkeit (~ 1812 ± 79 S·cm ⁻¹ ) entsprach den Ergebnissen der reinen Erhitzungsuntersuchung, erforderte jedoch im Gegensatz dazu nur eine Behandlungszeit von 1 Minute.

Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse den synergetischen Effekt einer kombinierten Erwärmungs- und Strombehandlung. Die Anwendung einer 1-minütigen Behandlung bei 900°C Erhitzen in Kombination mit Durchgangsstrom verbesserte die elektrische Leitfähigkeit ähnlich wie bei der reinen Erhitzungsbehandlung (1500°C, 5 h). Bei erhöhtem angelegtem Strom wurde jedoch keine zusätzliche Verbesserung beobachtet, was darauf hindeutet, dass unter den Bedingungen des Erhitzens und des Stroms durch die Ebene die bereitgestellte Energie nicht ausreicht, um eine weitere Änderung der graphitischen Struktur zu bewirken. Wir vermuten, dass der Stromfluss durch die Ebene eine ohmsche Erwärmung induziert, die diese Anordnung im Wesentlichen reduziert, die einer reinen Wärmebehandlung entspricht. Darüber hinaus weist die schwache Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit vom angelegten Strom darauf hin, dass der Mechanismus, der die Verbesserung vorantreibt, nicht nur ein thermischer Prozess ist (Abb. 2b). Es bleibt die Möglichkeit, dass die Behandlungszeit trotz erhöhter Temperatur zu kurz ist. Diese Hypothese würde die beobachtete schwache Abhängigkeit vom angelegten Strom erklären. Daher zeigen diese Ergebnisse, wie wichtig es ist, Heizen mit einem Stromfluss in der Ebene zu kombinieren, um einen effektiven und effizienten Behandlungsprozess zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der gefilterten Graphitplatten zu erreichen.

Da unsere Behandlung auf eine makroskopische Anordnung von Graphitflocken wirkt, die in eine 10 mm × 10 mm-Folie gefiltert wurden, ist Homogenität bei der Verbesserung von entscheidender Bedeutung. Frühere Berichte mit DC/AC-Strom- und Plasmabehandlungen haben gezeigt, dass es schwierig ist, die gesamte Oberfläche gleichmäßig zu bearbeiten [30]. Große Behandlungsvariationen sind ein Hindernis bei der zukünftigen Scale-up-Entwicklung sowie bei der Anwendungsentwicklung. Um diesen Punkt anzugehen, wurde die Gleichmäßigkeit der elektrischen Leitfähigkeit bei 0, ± 1,0, ± 3,0 und ± 5,0 mm von der Mitte der behandelten Graphitplatte (~10 mm) bewertet. Wie in Abb. 3c zu sehen, betrug die mittlere elektrische Leitfähigkeit ~ 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ mit einer Varianz von nur 1,5 % (x, ~ 0,7 %; y, ~ 1,5 %). Dieses Ergebnis zeigt, dass die Wärme- und Strombehandlung außergewöhnlich gleichmäßig auf die gesamte Graphitplatte einwirkte und deutet auf die Möglichkeit zukünftiger Scale-Up-Bemühungen hin.

a Raman-Spektren der gefilterten, exfolierten Graphitplatten vor und nach dem Wärme- und Stromprozess und nach dem Nur-Heiz-Prozess. b FWHM der XRD (002)-Reflexion einer so hergestellten und verarbeiteten abgeblätterten Graphitfolie. c Gleichmäßigkeit der elektrischen Leitfähigkeit über die bearbeitete Oberfläche der Graphitfolie

Um den Ursprung der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit aufzuklären, wurde eine strukturelle Charakterisierung der Bleche vor und nach der Behandlung durchgeführt. Die Charakterisierung der Kristallinität wurde unter Verwendung von Makro-Raman-Spektroskopie durchgeführt, bei der Proben über die Graphitplattenoberfläche entnommen wurden, wie im Abschnitt "Methoden/Experiment" beschrieben. Zusammengenommen zeigten die Spektren für die Graphitfilme vor und nach der Behandlung die charakteristischen Merkmale von Graphit:ein scharfes graphitisches Band, ein ungeordnetes Band und ein 2D-Band. Das Raman-G/D-Verhältnis des wärme- und strombehandelten Blechs erhöhte sich um das 30-fache auf ∼ 85,3 ± 5,74 gegenüber dem der so hergestellten Bleche (G/D-Verhältnis ~ 2,8 ± 0,55). Ein früherer Bericht von Jin et al. berichteten, dass die Defekte in SWCNTs durch den Stromfluss entlang von Nanoröhren wandern [31]. Daher nehmen wir an, dass die Behandlung eine Defektmigration zu den Kanten der Graphitdomänen induziert. Dies kann die Notwendigkeit des Stromflusses in der Ebene erklären. Zum Vergleich:Platten, die nur durch Erhitzen bei Temperaturen von 1500 °C behandelt wurden, zeigten eine 9,5-fache Zunahme des G/D-Verhältnisses (~ 26,5 ± 2,38) (Abb. 3a). Das G/D-Verhältnis der mit der reinen Strombehandlung behandelten Bleche betrug 2,7 ± 1,96 im Bereich von 175 bis 850 A·cm ⁻² . , die keine Verbesserung der angelegten Stromdichte anzeigte (diese Spektren nicht zeigen) ähnlich der elektrischen Leitfähigkeit in Fig. 2b. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Kristallinitätsverbesserung gut mit der verbesserten elektrischen Leitfähigkeit korreliert. Die 2D-Peaks wurden für alle Proben bei ~ 2700 cm ⁻¹ . beobachtet vor und nach Hitze und Stromprozess. Die Ähnlichkeit in der Peakposition weist darauf hin, dass die Schichtnummer durch den Wärme- und Stromprozess nicht offensichtlich geändert wurde [32].

An den unbehandelten und wärme- und strombehandelten Blechen wurde eine strukturelle Charakterisierung durch Röntgenbeugung (XRD) durchgeführt (Cu Kα:λ =0,15418 nm, MiniFlex II, Rigaku Corporation). Die Beobachtung des (002)-Reflexes bei 2θ =26,5° zeigte keine offensichtliche Änderung der Reflexionsposition und Profilform als Ergebnis der Behandlung (Abb. 3b). Dies bedeutet, dass der Zwischenschichtabstand der behandelten und unbehandelten Bleche, der auf ~ 0,335 nm geschätzt wurde, durch die Behandlung nicht beeinflusst wurde. Darüber hinaus war auch das Full Width Half Maximum (FWHM) der (002)-Reflexion, das mit dem Schichtabstand zusammenhängt, bei ~ 0,16° unbeeinflusst. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die beobachtete Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit nicht aus einer Verbesserung des Zwischenschichtabstands der einzelnen Flocken resultiert. Zusammengenommen legen die Raman- und XRD-Ergebnisse nahe, dass die Verbesserung der Kristallinität sowie damit verbundene Strukturmerkmale, wie Inter-Partikel-Übergänge oder Verschmelzung benachbarter Domänen, der Hauptgrund für die beobachtete Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit zu sein scheinen. Unsere Versuche, dieses Phänomen mikroskopisch zu beobachten, waren erfolglos.

Wir möchten zu den Einschränkungen und der Möglichkeit der Skalierung dieses Prozesses Stellung nehmen. Obwohl diese Behandlung Potenzial für die effektive und effiziente Verbesserung der Eigenschaften von Graphitplatten zeigt, erkennen wir die Notwendigkeit einer Hochleistungsquelle sowie relativ hoher Behandlungstemperaturen (~ 900°C) an, um zeiteffizient zu bleiben. Basierend auf unseren bisherigen Arbeiten zur Behandlung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren kann die Behandlungstemperatur mit einer damit verbundenen Erhöhung des Behandlungsstroms gesenkt werden [29]. Daher wäre ein möglicher Ansatz, die Temperatur auf ~ 800°C zu senken, den angelegten Strom um ~ 20% zu erhöhen. Darüber hinaus haben frühere Studien gezeigt, dass dieses Verfahren grundsätzlich skalierbar ist, indem mehrere Blätter gleichzeitig behandelt werden und ähnliche Ergebnisse erzielt werden. Da dieser Prozess die elektrische Leitfähigkeit effizient verbessern kann (von 1088 ± 72 auf 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ ) von Blähgraphit in nur 1 min, stellen wir uns vor, dass diese Technik für einen Rolle-zu-Rolle-Prozess geeignet sein sollte, um eine kontinuierliche und großflächige Behandlung von Graphitplatten zu ermöglichen. Daher kann diese Arbeit erhebliche Auswirkungen auf die Verbesserung makroskopischer und hochleitfähiger Graphitschichten für Elektrodenmaterialien für Nanokomposite mit elektrischer Leitfähigkeit, elektromagnetischer Abschirmung und photonischen Geräten haben.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen Ansatz zur Herstellung hochleitfähiger Graphitplatten demonstriert, der aus abgeblätterten Graphitplatten und einer Behandlung besteht, die aus einer kombinierten Erwärmung und einem elektrischen Stromfluss in der Ebene besteht. Diese Behandlung erwies sich als entscheidend für die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von abgeblätterten Graphitplatten um das 2,1-fache von 1088 ± 72 auf 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ . Wir stellen fest, dass unsere elektrische Leitfähigkeit nach wie vor etwa 20 % der von Song et al. (11.000 S·cm ⁻¹ , 5–8 h) [14], im Gegensatz dazu erfordert dieser Ansatz jedoch nur eine Behandlungsdauer von 1 Minute. Darüber hinaus behandelte unser Ansatz einheitlich die gesamte 10-mm-Folie mit einer Abweichung von 1,5 %, was erhebliche Auswirkungen sowohl auf die Anwendung dieses Materials als auch auf die Möglichkeit einer Vergrößerung hat.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

N₂ :

Stickstoff

Ar:

Argon

XRD:

Röntgenbeugung

DC:

Gleichstrom

AC:

Wechselstrom

FWHM:

Halbe maximale Breite in voller Breite

AFM:

Rasterkraftmikroskop