Pengaruh Parameter Tip Sonikasi pada Pengelupasan Fase Cair Grafit menjadi Nanoplatelet Grafena

Hasil dan Diskusi

Mengelupas Grafit menjadi GNP dalam Media Cair dengan Tegangan Permukaan Berbeda

Gambar 1 menunjukkan konsentrasi GNP dalam campuran pelarut etanol dan air ultra murni dengan tegangan permukaan berkisar antara 22 hingga 50 mJ/m ² . Secara rinci, OD dan konsentrasi massa dispersi GNP sebagai fungsi dari tegangan permukaan campuran pelarut disajikan pada Gambar 1a. Selain itu, hubungan antara konsentrasi massa dan OD dari dispersi GNP ditunjukkan pada File tambahan 1. Gambar 1b menampilkan hubungan antara fraksi volume etanol dan tegangan permukaan campuran pelarut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP sangat bergantung pada tegangan permukaan campuran pelarut. Ketiga sampel grafit serpihan terdispersi paling efektif dalam campuran etanol (45 vol%)-air (55 vol%) dengan tegangan permukaan ~ 30 mJ/m ² , yang sesuai dengan literatur sebelumnya [17]. Oleh karena itu, campuran etanol/air dengan tegangan permukaan 30 mJ/m ² dipilih sebagai media cair pendispersi untuk mengelupas sampel grafit yang terkelupas.

a Densitas optik dan konsentrasi massa dispersi graphene yang dihasilkan oleh pengelupasan sampel grafit serpihan G10, G30, dan G100 sebagai fungsi tegangan permukaan campuran pelarut etanol-air. b Hubungan antara tegangan permukaan campuran pelarut dan fraksi volume air (oranye) dan etanol (biru)

Konsentrasi Dispersi GNP yang Diproduksi Menggunakan Berbagai Kekuatan dan Waktu Sonikasi

Konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai kekuatan sonikasi dan waktu ditentukan dengan spektroskopi UV-Vis. Gambar 2(a1), (b1), dan (c1) menunjukkan OD dan konsentrasi massa GNP yang dihasilkan dalam campuran air-etanol dengan tegangan permukaan 30 mJ/m ² sebagai fungsi dari kekuatan sonikasi dan waktu. Hasil menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP meningkat dengan kekuatan sonikasi dan waktu. Perhatikan bahwa, G100 tidak terkelupas dalam campuran etanol-air dengan tegangan permukaan 30 mJ/m ² pada kekuatan sonikasi 60 dan 100 W. Secara khusus, untuk waktu sonikasi yang sama, konsentrasi dispersi GNP meningkat dengan kekuatan sonikasi. Selanjutnya, pada kekuatan sonikasi yang sama, konsentrasi dispersi GNP meningkat dengan cepat pada awalnya dan kemudian lebih lambat seiring dengan waktu sonikasi yang diperpanjang. Setelah waktu sonikasi mencapai 120 menit, konsentrasi dispersi GNP hampir tidak berubah. Hasil ini menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP maksimum diperoleh setelah waktu sonikasi tertentu, setelah itu sonikasi lebih lanjut tidak efektif. Selain itu, hasilnya menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan pada daya sonikasi 300 W jauh lebih tinggi daripada konsentrasi dispersi yang dihasilkan pada daya sonikasi 60, 100, dan 200 W.

Konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan (a1) G10, (b1) G30, dan (c1) G100 menggunakan kekuatan dan waktu sonikasi yang berbeda. Konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan (a2) G10, (b2) G30, dan (c2) G100 sebagai fungsi input energi sonikasi

Untuk mengevaluasi pengaruh daya dan waktu sonikasi ujung pada konsentrasi dispersi GNP, hubungan antara input energi, yaitu E , (waktu sonikasi dikalikan dengan kekuatan sonikasi) dan konsentrasi dispersi GNP ditentukan. Gambar 2(a2), (b2), dan (c2) menunjukkan bahwa hubungan antara konsentrasi dispersi GNP dan input energi dapat dijelaskan dengan \( {C}_g={aE}^{\raisebox{1ex}{ $1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.} \), di mana C _g adalah konsentrasi dispersi GNP, dan a adalah parameter yang ditentukan dengan menyesuaikan data eksperimen. a nilai dispersi GNP yang diperoleh dengan pengelupasan G10, G30, dan G100 adalah 1,612 × 10 ^− 4 , 4.175 × 10 ^− 4 , dan 1,061 × 10 ^− 4 mg/(mL · kJ ^½ ), masing-masing. Hasil ini menunjukkan bahwa dengan meningkatnya masukan energi, konsentrasi dispersi GNP meningkat pesat pada awalnya dan kemudian perlahan, yang sesuai dengan temuan sebelumnya dari Coleman [23] dan Bracamonte [37] pada pengelupasan grafit menjadi GNP melalui sonikasi mandi .

Ukuran GNP yang Diproduksi Menggunakan Berbagai Kekuatan dan Waktu Sonikasi

Gambar 3 menunjukkan ukuran GNP yang dihasilkan dengan mengelupas sampel grafit serpihan G10, G30, dan G100 menggunakan berbagai kekuatan dan waktu sonikasi ujung. Gambar 3(a1), (b1), dan (c1) menampilkan ukuran rata-rata GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G10, G30, dan G100 menggunakan kekuatan dan waktu sonikasi ujung yang berbeda. Ukuran rata-rata GNP ditentukan dengan menganalisis sekitar 100 GNP untuk setiap sampel. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan meningkatnya daya dan waktu sonikasi, ukuran GNP yang dihasilkan sedikit menurun. Terlepas dari ukuran awal grafit yang terkelupas, ukuran GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai waktu dan kekuatan sonikasi tip berkisar dari ~ 1 hingga ~ 3 μm. Karena G100 tidak terkelupas pada kekuatan sonikasi 60 dan 100 W, Gambar 3(c1) hanya menunjukkan ukuran GNP yang terkelupas pada kekuatan sonikasi 200 dan 300 W.

Ukuran rata-rata GNP yang dihasilkan menggunakan kekuatan dan waktu sonikasi yang berbeda untuk mengelupas sampel grafit serpihan (a1) G10, (b1) G30, dan (c1) G100. Gambar SEM dari sampel grafit serpihan (a2) G10, (b2) G30, dan (c2) G100. Gambar SEM dari GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G10 pada daya sonikasi 300 W selama (a3) ​​60 mnt, (a4) 120 mnt, dan (a5) 180 mnt. Gambar SEM dari GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G30 pada daya sonikasi 300 W selama (b3) 60 mnt, (b4) 120 mnt, dan (b5) 180 mnt. Gambar SEM dari GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G100 pada daya sonikasi 300 W selama (c3) 60 mnt, (c4) 120 mnt, dan (c5) 180 mnt

Untuk mengilustrasikan pengaruh sonikasi pada ukuran GNP yang dihasilkan, gambar SEM dari ketiga sampel grafit ini dan GNP yang diperoleh dengan pengelupasan pada kekuatan sonikasi 300 W untuk periode yang berbeda disajikan pada Gambar 3. Gambar SEM GNP terkelupas pada a daya sonication tip 60, 100, dan 200 W selama 60, 120, dan 180 mnt ditampilkan di File tambahan 1. Secara khusus, Gambar 3(a2), (b2), dan (c2) menunjukkan ukuran awal serpihan grafit, yaitu, G10, G30, dan G100, masing-masing. Gambar menunjukkan bahwa G10, G30, dan G100 semuanya memiliki banyak lapisan tebal dan memiliki ukuran masing-masing sekitar 10, 30, dan 100 μm. Gambar 3(a3), (a4), dan (a5) menggambarkan gambar SEM GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G10 dalam campuran etanol-air pada daya sonikasi ujung 300 W selama masing-masing 60, 120, dan 180 mnt. Dapat ditemukan bahwa ketika waktu sonikasi adalah 60 menit, GNP yang dihasilkan sedikit lebih tebal daripada yang diperoleh dengan sonikasi selama 120 atau 180 menit; dua kali sonikasi terakhir memberikan GNP dengan ketebalan yang hampir sama. Gambar 3(b3), (b4), dan (b5) menampilkan gambar SEM GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G30 pada daya sonikasi ujung 300 W selama masing-masing 60, 120, dan 180 mnt. Sementara itu, Gambar 3(c3), (c4), dan (c5) menunjukkan gambar SEM GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan G100 pada daya sonikasi ujung 300 W selama masing-masing 60, 120, dan 180 mnt. Semua hasil ini menunjukkan bahwa dengan meningkatnya daya dan waktu sonikasi, ketebalan GNP yang dihasilkan menurun.

Secara keseluruhan, hasil menunjukkan bahwa dengan meningkatnya daya dan waktu sonikasi, ukuran GNP yang dihasilkan sedikit menurun. Namun, terlepas dari ukuran awal grafit yang terkelupas, GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai waktu dan kekuatan sonikasi tip berkisar dari ukuran ~ 1 hingga ~ 3 μm.

Kepadatan Cacat GNP yang Diproduksi Menggunakan Berbagai Kekuatan dan Waktu Sonikasi

Kepadatan cacat GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai kekuatan dan waktu sonikasi ditentukan oleh spektroskopi Raman. Umumnya, rasio intensitas D pita pada 1350 cm ^− 1 dengan G pita pada 1580 cm ^− 1 (Aku _D /Aku _G ) digunakan untuk mengkarakterisasi densitas cacat GNPs [33]. I . yang lebih kecil _D /Aku _G nilai menunjukkan kepadatan cacat yang lebih rendah dari GNP. Aku _D /Aku _G nilai GNP yang terkelupas menggunakan kekuatan dan waktu sonikasi yang berbeda ditunjukkan sebagai histogram pada Gambar 4(a1), (b1), dan (c1). Selain itu, spektrum Raman khas dari serpihan grafit awal dan GNP yang terkelupas pada kekuatan 60, 100, 200, atau 300 W selama 60, 120, atau 180 menit disajikan dalam File tambahan 1. I _D /Aku _G nilai GNP naik sedikit dengan meningkatnya waktu dan daya sonikasi tip. Namun demikian, I _D /Aku _G nilai GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai kekuatan sonikasi ujung dan waktu berkisar dari ~ 0,1 hingga ~ 0,3, yang menunjukkan bahwa semua GNP yang dihasilkan memiliki kepadatan cacat yang rendah, yaitu berkualitas tinggi. Selain itu, File tambahan 1:Gambar S5, S6, dan S7 mengilustrasikan bahwa dengan meningkatnya daya dan waktu sonikasi, G pita GNP menjadi lebih luas, yang berarti bahwa sebagian besar cacat pada GNP adalah cacat tepi daripada cacat bidang basal.

Aku _D /Aku _G nilai GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai kekuatan dan waktu sonikasi dari (a1) G10, (b1) G30, dan (c1) G100. Aku _D /Aku _G nilai GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan (a2) G10, (b2) G30, dan (c2) G100 sebagai fungsi input energi sonikasi

Untuk benar-benar memahami pengaruh kekuatan dan waktu sonikasi ujung pada kepadatan cacat GNP yang dihasilkan, masukan energi selama pengelupasan kulit dipertimbangkan. Gambar 4(a2), (b2), dan (c2) menunjukkan hubungan antara I _D /Aku _G nilai dan masukan energi selama tip sonikasi. Jelas, terlepas dari ukuran awal sampel grafit yang terkelupas, I _D /Aku _G dari semua GNP yang dihasilkan meningkat secara linier dengan input energi. Ini menunjukkan bahwa untuk menghasilkan GNP berkualitas tinggi, daya dan waktu sonikasi harus dikurangi. Selain itu, hasil menunjukkan bahwa I _D /Aku _G nilai GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan G30 jauh lebih rendah daripada GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan G10 dan G100. Hal ini mungkin disebabkan oleh perbedaan kualitas sampel grafit murni.

Perilaku Sedimentasi GNP dalam Medium Cair

Perilaku sedimentasi GNP dalam media cair mewakili stabilitas dispersi graphene. Gambar 5 mengilustrasikan perilaku sedimentasi GNP dalam media cair yang dihasilkan pada daya sonikasi 300 W selama 30, 60, 120, dan 180 menit yang diperkirakan dengan menentukan OD dispersi GNP sebagai fungsi waktu sedimentasi. Kurva sedimentasi untuk dispersi GNP yang dihasilkan pada kekuatan sonikasi 60, 100, dan 200 W selama 30, 60, 120, dan 180 menit dapat ditemukan di File tambahan 1. Hasil menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan menggunakan sonikasi berbeda kekuatan dan waktu semuanya menurun dengan cepat selama 12 jam pertama dan kemudian mendatar. Setelah sedimentasi selama 96 jam, konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan G10 pada daya sonikasi 300 W selama 60, 120, dan 180 menit masing-masing adalah 61,8%, 70,1%, dan 70,5% dari konsentrasi awalnya. Untuk G30, setelah sedimentasi selama 96 jam, konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan menggunakan daya sonikasi 300 W selama 60, 120, dan 180 menit adalah 62,5%, 71,2%, dan 71,2% dari konsentrasi awal dispersi GNP yang sesuai. , masing-masing. Sementara itu, setelah sedimentasi selama 96 jam dispersi GNP yang dihasilkan dari G100 menggunakan daya sonikasi 300 W selama 60, 120, dan 180 menit, konsentrasi dispersi adalah 65,9%, 71,6%, dan 72,3% dari nilai awalnya. masing-masing.

Kurva sedimentasi dari dispersi GNP yang dihasilkan oleh pengelupasan a G10, b G30, dan c G100 dengan kekuatan sonikasi 300 W

Hasil ini menunjukkan bahwa konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan menggunakan kekuatan dan waktu sonikasi yang berbeda semuanya menurun dengan cepat selama 12 jam pertama dan kemudian mendatar. Setelah sedimentasi selama 96 jam, konsentrasi dispersi GNP kira-kira 70% dari nilai awalnya. Selain itu, stabilitas dispersi GNP dalam media cair yang dihasilkan pada berbagai kekuatan sonikasi selama 120 menit hampir sama dengan yang dihasilkan pada berbagai kekuatan sonikasi selama 180 menit.

Implikasi untuk Memilih Parameter Sonikasi Tip yang Sesuai

Berdasarkan kualitas GNP yang terkelupas menggunakan berbagai kekuatan dan waktu sonikasi ujung, dapat ditemukan bahwa ukuran GNP berkisar dari ~ 1 hingga ~ 3 μm terlepas dari ukuran awal grafit yang terkelupas. Sementara itu, I _D /Aku _G nilai GNP yang dihasilkan menggunakan berbagai kekuatan dan waktu sonikasi ujung menunjukkan bahwa semua GNP berkualitas tinggi. Selanjutnya, konsentrasi dispersi GNP yang dihasilkan pada daya sonikasi 300 W jauh lebih tinggi daripada konsentrasi dispersi yang dihasilkan pada daya sonikasi 60, 100, dan 200 W. Selain itu, kurva sedimentasi dispersi GNP menunjukkan bahwa stabilitas dispersi GNP yang dihasilkan pada berbagai kekuatan sonikasi selama 120 menit hampir sama dengan dispersi yang dihasilkan pada berbagai kekuatan sonikasi selama 180 menit. Dengan mempertimbangkan semua faktor yang disebutkan di atas, kami berpendapat bahwa parameter sonikasi tip yang cocok untuk mengelupas grafit untuk membentuk GNP mungkin adalah kekuatan sonikasi 300 W selama 120 mnt.

Selain itu, ketebalan GNP umumnya merupakan indikator penting kualitasnya. Oleh karena itu, ketebalan GNP yang dihasilkan oleh sonikasi pada 300 W selama 120 menit ditentukan lebih lanjut oleh TEM. Gambar 6a–c menunjukkan gambar TEM medan terang dari GNP yang dihasilkan dengan mengeksfoliasi G10, G30, dan G100 masing-masing pada daya sonikasi 300 W selama 120 mnt. Untuk mengidentifikasi keberadaan GNP lapisan tunggal atau beberapa lapisan yang dihasilkan pada daya sonikasi 300 W selama 120 menit, pola difraksi elektron GNP diukur pada sudut datang 0°. Secara khusus, Gambar 6d menunjukkan pola difraksi elektron GNP pada Gambar 6b, yang berisi pola simetri enam kali lipat yang konsisten dengan struktur kristal khas GNP. Selain itu, dalam pola heksagonal ini, intensitas titik {1100} lebih kuat daripada intensitas titik {2110}. Untuk memeriksa rasio intensitas {1100} dengan {2110} (I _{1100} /Aku _{2110} ), beberapa titik dilengkapi dengan garis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d. Gambar 6e mengungkapkan bahwa puncak bagian dalam lebih kuat daripada bagian luar dan I _{1100} /Aku _{2110} adalah sekitar 1,30. Pekerjaan sebelumnya menunjukkan bahwa ketika saya _{1100} /Aku _{2110} < 1, GNP harus multilayer dengan AB susun, sedangkan ketika I _{1100} /Aku _{2110}> 1, GNP harus monolayer [38]. Oleh karena itu, hasil menunjukkan bahwa GNP monolayer atau beberapa lapis diproduksi menggunakan daya sonikasi 300 W selama 120 mnt.

Gambar TEM dari GNP yang dihasilkan dengan pengelupasan a G10, b G30, dan c Sampel grafit serpihan G100 dengan daya sonikasi 300 W selama 120 mnt. d Pola difraksi elektron diambil dari posisi lingkaran putih di b . e Intensitas difraksi diambil sepanjang garis dalam d