Peningkatan Sifat Kristal dan Listrik dari Lembaran Grafit Tersaring dan Terkelupas dengan Perlakuan Arus dan Pemanasan Dalam Pesawat

Hasil dan Diskusi

Kami memulai proses dua langkah kami dengan mengkarakterisasi konduktivitas listrik dari lembaran grafit yang difiltrasi vakum. Seperti yang dijelaskan di bagian “Metode/Eksperimental”, konduktivitas listrik lembaran (rata-rata) setebal ~ 35 m dilakukan menggunakan perangkat pengukuran resistivitas listrik empat probe. Konduktivitas listrik rata-rata ditemukan 1088 ± 72 S·cm ⁻¹ yang dapat dibandingkan dengan baik dengan grafit terfiltrasi dan lembaran graphene lainnya.

Lembaran ini kemudian mengalami perlakuan panas dan arus untuk meningkatkan konduktivitas listrik. Hasil kami menunjukkan perlunya dan keuntungan dari pemanasan simultan dan aliran arus dalam bidang pada peningkatan sifat lembaran grafit. Kami menerapkan pengobatan gabungan aliran arus dan pemanasan seperti yang dilaporkan sebelumnya untuk nanotube karbon dinding tunggal (SWCNTs) [27, 28]. Menggunakan suhu pemanasan 900 °C, kami menyelidiki ketergantungan konduktivitas listrik lembaran yang dirawat sebagai fungsi dari kerapatan arus dalam bidang yang diterapkan. Untuk setiap titik, suhu dinaikkan menjadi 900 °C, dan arus dalam pesawat (0 hingga 850 A·cm ⁻² ) dilewatkan selama 1  menit. Konduktivitas listrik setiap lembar diukur dan diplot (Gbr. 2b). Plot konduktivitas listrik lembaran versus kerapatan arus yang diterapkan menunjukkan peningkatan tajam dari nilai yang disiapkan (1088 ± 72 S·cm ⁻¹ ) hingga 2250 ± 50 S·cm ⁻¹ pada 550 A·cm ⁻² , yang diikuti oleh penurunan rapat arus tinggi (850 A·cm ⁻² ) (Gbr. 2b). Berdasarkan penurunan rasio Raman G/D (85,3 ± 5,7 pada 550 A·cm ⁻² hingga 10,7 ± 1,0 pada 850 A·cm ⁻² ), kami menduga bahwa penurunan konduktivitas listrik yang diamati pada rapat arus melebihi ~ 550 A·cm ⁻² adalah hasil dari degradasi struktural melalui mekanisme, seperti elektro-migrasi. Berdasarkan hasil ini, kondisi perlakuan optimum untuk ambien gas Ar ditentukan menjadi 550 A·cm ⁻² pada 900 °C. Hasil ini menunjukkan keefektifan dan keuntungan dari penggunaan panas dan aliran arus secara simultan.

a Konduktivitas listrik lembaran grafit untuk kasus yang dirawat dan mengikuti kondisi perawatan yang berbeda. b Ketergantungan konduktivitas listrik ketergantungan pada kerapatan arus yang diterapkan untuk kondisi perlakuan yang berbeda (Hanya arus, panas dan arus dalam bidang, serta panas dan arus melalui bidang.) Pemanasan saja dan siap pakai disertakan sebagai referensi.

Untuk memverifikasi pentingnya pemanasan gabungan dan perlakuan aliran arus listrik dalam bidang, kami melakukan beberapa eksperimen kontrol menggunakan (1) perlakuan pemanasan saja, (2) perlakuan arus saja, dan (3) pemanasan gabungan dan melalui -aliran arus bidang Singkatnya, tidak ada kondisi proses lain yang menunjukkan tingkat peningkatan konduktivitas listrik yang setara seperti yang dijelaskan di atas. Pertama, perlakuan pemanasan saja dilakukan pada 900 dan 1500 °C dalam lingkungan Ar selama 5 h. Mirip dengan hasil yang diamati untuk CNT, pemanasan saja menunjukkan peningkatan yang dapat diamati pada suhu pada, atau di atas, 1500 °C [29]. Sebagaimana dirangkum dalam Gambar. 2a (hijau), perlakuan pada 900 °C menghasilkan peningkatan nominal dalam konduktivitas listrik (1215 ± 70 S·cm ⁻¹ ), dan perlakuan pada 1500 °C menghasilkan peningkatan yang lebih signifikan menjadi ~ 1812 ± 79 S·cm ⁻¹ . Selain itu, dalam kedua kasus, kami mengamati sedikit penurunan berat badan (~ 3%), yang kemungkinan disebabkan oleh penghilangan, mungkin degassing, bahan kimia sisa yang tersisa dari proses pengelupasan. Hasil ini menunjukkan bahwa pemanasan saja dapat efektif dalam meningkatkan konduktivitas listrik lembaran grafit, tetapi memerlukan suhu melebihi 1500 °C dan membutuhkan waktu perawatan berjam-jam.

Kedua, kami memeriksa efek pengobatan saat ini saja. Dalam pengujian ini, arus listrik dialirkan secara in-plane untuk beberapa sampel mulai dari 175 hingga 850 A·cm ⁻² untuk waktu perawatan 1 menit. Setelah perawatan, lembaran menunjukkan tidak ada peningkatan nyata dalam konduktivitas listrik (batang biru pada Gambar. 2a, segitiga pada Gambar. 2b). Hasil ini menunjukkan ketidakefektifan pengobatan saat ini saja. Kami menduga bahwa pemanasan ohmik yang disebabkan oleh arus tidak cukup untuk menyebabkan perubahan signifikan pada kristalinitas lembaran dan konduktivitas listrik.

Ketiga, untuk menunjukkan pentingnya arah aliran arus (melalui bidang versus dalam bidang) dalam proses gabungan panas dan arus, aliran arus dilewatkan melalui bidang pada serangkaian lembaran grafit menggunakan elektroda tanpa pelat alumina isolasi. seperti yang dijelaskan di bagian “Metode/Eksperimental”. Lembaran grafit dikenai kerapatan arus yang berkisar antara 175 hingga 850 A·cm ⁻² , dan konduktivitas listrik diukur dan diplot sebagai fungsi dari arus yang diterapkan (Gbr. 2b). Dari plot ini, kami melakukan beberapa pengamatan. Satu, efek pada konduktivitas listrik langsung dengan arus yang diterapkan relatif rendah. Dengan kerapatan arus terapan terendah (150 A·cm ⁻² ), konduktivitas listrik lembaran grafit meningkat sekitar 70%. Kedua, peningkatan lebih lanjut dalam arus yang diterapkan tidak menghasilkan perbaikan lebih lanjut. Ketiga, tingkat konduktivitas listrik meningkat (~ 1812 ± 79 S·cm ⁻¹ ) setara dengan hasil pemeriksaan pemanasan saja, tetapi sebaliknya, hanya membutuhkan waktu perawatan 1 menit.

Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan efek sinergis dari pemanasan gabungan dan perlakuan saat ini. Penerapan perlakuan 1 menit pada pemanasan 900 °C yang dikombinasikan dengan arus bidang tembus meningkatkan tingkat konduktivitas listrik yang serupa dengan perlakuan pemanasan saja (1500 °C, 5 h). Namun, peningkatan tambahan tidak diamati dengan peningkatan arus yang diterapkan, yang menunjukkan bahwa di bawah kondisi pemanasan dan arus bidang, energi yang diberikan tidak cukup untuk menginduksi perubahan lebih lanjut pada struktur grafit. Kami menduga bahwa aliran arus melalui bidang menginduksi pemanasan ohmik yang pada dasarnya mengurangi pengaturan ini setara dengan perlakuan panas saja. Selain itu, ketergantungan yang lemah dari konduktivitas listrik pada arus yang diterapkan menunjukkan bahwa mekanisme yang mendorong peningkatan bukan hanya proses termal (Gbr. 2b). Kemungkinan tetap bahwa waktu perawatan terlalu singkat meskipun suhu meningkat. Hipotesis ini akan menjelaskan ketergantungan lemah yang diamati pada arus yang diterapkan. Oleh karena itu, hasil ini menunjukkan pentingnya menggabungkan pemanasan dengan aliran arus dalam bidang untuk mencapai proses perawatan yang efektif dan efisien guna meningkatkan konduktivitas listrik lembaran grafit terfiltrasi.

Karena perawatan kami bertindak pada rakitan makroskopik serpihan grafit yang disaring menjadi lembaran 10 mm × 10 mm, homogenitas dalam peningkatan sangat penting. Laporan sebelumnya menggunakan arus DC/AC dan perawatan plasma telah menunjukkan kesulitan dalam memproses seluruh permukaan secara seragam [30]. Variasi perlakuan yang besar merupakan kendala dalam pengembangan scale-up serta pengembangan aplikasi di masa mendatang. Untuk mengatasi hal ini, keseragaman konduktivitas listrik dievaluasi pada 0, ± 1,0, ± 3,0, dan ± 5,0 mm dari pusat lembaran grafit yang dirawat (φ10 mm). Seperti yang terlihat pada Gambar 3c, konduktivitas listrik rata-rata adalah ~ 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ dengan varians hanya 1,5% (x, ~ 0,7%; y, ~ 1,5%). Hasil ini menunjukkan bahwa perlakuan panas dan saat ini bekerja pada seluruh lembaran grafit dengan sangat seragam dan menunjukkan kemungkinan upaya peningkatan di masa depan.

a Spektrum Raman dari lembaran grafit terfiltrasi dan terkelupas sebelum dan sesudah proses panas dan saat ini dan setelah proses pemanasan saja. b FWHM XRD (002) refleksi lembaran grafit terkelupas yang disiapkan dan diproses. c Keseragaman konduktivitas listrik di seluruh permukaan lembaran grafit terkelupas yang diproses

Untuk mencoba mengklarifikasi asal dari peningkatan konduktivitas listrik, karakterisasi struktural lembaran sebelum dan sesudah perawatan dilakukan. Karakterisasi kristalinitas dilakukan dengan menggunakan spektroskopi Macro-Raman yang diambil sampelnya melintasi permukaan lembaran grafit seperti yang dijelaskan pada bagian “Metode/Eksperimen”. Secara bersama-sama, spektrum untuk film grafit sebelum dan sesudah perlakuan menunjukkan fitur karakteristik grafit:pita grafit tajam, pita gangguan, dan pita 2D. Rasio G/D Raman dari lembaran yang diberi perlakuan panas dan arus meningkat lebih dari 30 kali lipat menjadi 85,3 ± 5,74 dari lembaran yang disiapkan (rasio G/D ~ 2,8 ± 0,55). Sebuah laporan sebelumnya oleh Jin et al. melaporkan bahwa cacat pada SWCNTs bermigrasi melalui aliran arus sepanjang nanotube [31]. Dengan demikian, kami berhipotesis bahwa perawatan menginduksi migrasi cacat menuju tepi domain grafit. Ini mungkin menjelaskan perlunya aliran arus di dalam bidang. Sebagai perbandingan, lembaran yang diperlakukan hanya dengan pemanasan pada suhu 1500 °C menunjukkan peningkatan rasio G/D 9,5 kali lipat (~ 26,5 ± 2,38) (Gbr. 3a). Rasio G/D dari lembaran yang dirawat dengan perlakuan arus saja ditemukan sebesar 2,7 ± 1,96 mulai dari 175 hingga 850 A·cm ⁻² , yang menunjukkan tidak ada peningkatan dari kerapatan arus yang diterapkan (tidak menunjukkan spektrum ini) mirip dengan konduktivitas listrik pada Gambar. 2b. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan kristalinitas berkorelasi baik dengan peningkatan konduktivitas listrik. Puncak 2D diamati untuk semua sampel pada ~ 2700 cm ⁻¹ sebelum dan sesudah panas dan proses saat ini. Kesamaan pada posisi puncak menunjukkan bahwa nomor lapisan tidak secara jelas berubah oleh panas dan proses saat ini [32].

Karakterisasi struktural dengan difraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada lembaran yang tidak diberi perlakuan dan dipanaskan dan diberi perlakuan arus (Cu Kα:λ =0,15418 nm, MiniFlex II, Rigaku Corporation). Pengamatan pantulan (002) pada 2θ =26,5° menunjukkan tidak adanya perubahan yang jelas pada posisi refleksi dan bentuk profil sebagai akibat dari perlakuan (Gbr. 3b). Ini berarti bahwa jarak antar lapisan dari lembaran yang dirawat dan yang tidak diberi perlakuan, yang diperkirakan ~ 0,335 nm, tidak terpengaruh oleh perlakuan tersebut. Selain itu, lebar penuh setengah maksimum (FWHM) dari pantulan (002), yang terkait dengan jarak lapisan, juga tidak terpengaruh pada ~ 0,16°. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan yang diamati pada konduktivitas listrik tidak muncul dari peningkatan jarak antar lapisan dari masing-masing serpihan. Secara keseluruhan, hasil Raman dan XRD menunjukkan bahwa peningkatan kristalinitas, serta fitur struktural terkait, seperti persimpangan antar-partikel atau penggabungan domain yang berdekatan, tampaknya menjadi asal utama dari peningkatan konduktivitas listrik yang diamati. Upaya kami untuk mengamati fenomena ini secara mikroskopis tidak berhasil.

Kami ingin mengomentari keterbatasan dan kemungkinan peningkatan proses ini. Sementara perawatan ini menunjukkan potensi dalam peningkatan properti lembaran grafit yang efektif dan efisien, kami menyadari kebutuhan akan sumber daya tinggi serta suhu perawatan yang relatif tinggi (~ 900 °C) agar tetap efisien waktu. Berdasarkan pekerjaan kami sebelumnya pada pengobatan nanotube karbon dinding tunggal, suhu pengobatan dapat diturunkan dengan peningkatan terkait dalam pengobatan saat ini [29]. Oleh karena itu, satu pendekatan yang mungkin untuk mengurangi suhu hingga ~ 800 °C adalah dengan meningkatkan arus yang diterapkan ~ 20%. Selain itu, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa proses ini pada dasarnya dapat diskalakan dengan memperlakukan beberapa lembar secara bersamaan dan memperoleh hasil yang serupa. Mengingat bahwa proses ini dapat meningkatkan konduktivitas listrik secara efisien (dari 1088 ± 72 menjadi 2275 ± 50 S·cm ⁻¹ ) dari grafit terkelupas hanya dalam 1  menit, kami membayangkan bahwa teknik ini harus sesuai untuk proses roll-to-roll untuk memungkinkan perawatan lembaran grafit skala besar dan berkelanjutan. Oleh karena itu, pekerjaan ini dapat memiliki implikasi yang signifikan dalam peningkatan film grafit makroskopik dan sangat konduktif untuk bahan elektroda untuk nanokomposit dengan konduktivitas listrik, pelindung elektromagnetik, dan perangkat fotonik.