Изучение процессов восстановления оксида графена и получение электропроводящих полимерных композитов на основе его восстановленной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гудков Максим Владимирович

• Гудков Максим Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Гудков Максим Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Процессы восстановления окисленного графита

1.2. Исследования кинетики восстановления оксида графита и энергия активации протекающих процессов

1.3. Электропроводящие полимерные композиционные материалы

1.4. Композиционные материалы сегрегированной структуры

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА ГРАФИТА И ЕГО МОНОСЛОЙНОЙ ФОРМЫ (ОКСИДА ГРАФЕНА)

2.1. Экспериментальные методы и оборудование

2.2. Эволюция парамагнитной системы и электропроводности окисленного графита при его термическом восстановлении

2.3. Кинетика восстановления оксида графита

2.4. Энергия активации взрывного восстановления оксида графита

2.5. Оценка температуры инициирования взрыва оксида графита и его максимальной температуры

2.6. Взрывное восстановление оксида графита парами гидразина при комнатной температуре

ГЛАВА 3 ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОССТАНОВЛЕННОГО ОКСИДА ГРАФЕНА

3.1. Методы исследования электропроводящих полимерных композиционных материалов и оборудование

3.2. Электропроводящие нанокомпозиты сегрегированной структуры на основе

фторопласта Ф-42 и восстановленного оксида графена

3.3. Стратегия темплатной полимеризации для формирования композитных аэрогелей ВОГ/СВМПЭ с настраиваемыми свойствами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение процессов восстановления оксида графена и получение электропроводящих полимерных композитов на основе его восстановленной формы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Графен и графеноподобные материалы являются одними из наиболее востребованных материалов в современном мире. Количество научных работ, проведенных в рамках данного направления учеными за последнее десятилетие, показывает невероятный интерес мирового научного сообщества к этим материалам. Обусловлено это уникальными свойствами графена, среди которых высокая подвижность носителей заряда, рекордно высокая теплопроводность, большая механическая жесткость и др. Интерес представляет как сам графен в чистом виде, так и новейшие материалы на его основе, поскольку ряд потенциальных применений включает множество областей: микроэлектроника, композиционные материалы с высокой тепло- и электропроводностью, газовые сенсоры, фотокатализаторы, гибкая электроника, солнечные батареи, суперконденсаторы, электрохимические источники тока, катализаторы для водородной энергетики, полимерные композиты повышенной прочности и др.

Одним из наиболее удобных и широко применяемых прекурсоров для массового получения графеноподобных материалов является оксид графена (ОГ). Преимущества оксида графена заключаются в достаточно простом и экономически оправданном методе получения (окисление природного графита в среде концентрированных кислот), способности к зарядовой самостабилизации монослойного состояния во многих растворителях, в числе которых вода, способности к пленкообразованию, и разнообразии методов перевода его в графеноподобное состояние. Понятно, что идеальной графеновой структуры после окисления и последующего восстановления добиться невозможно, однако свойства восстановленной формы оксида графена вполне привлекательны для целого ряда применений.

Несмотря на то, что метод синтеза оксида графита открыт еще в 19 веке, механизмы окисления и восстановления до сих пор остаются дискуссионными. Подавляющее большинство научных групп, занимающихся оксидом графита/графена и их химическими модификациями, сосредоточены на получении

материалов с определенными свойствами, а исследования, касающиеся кинетики и механизмов реакций восстановления ОГ, в настоящее время обделены вниманием. По большей части это вызвано сложностью организации системы кислородсодержащих групп на базальной плоскости частиц ОГ и отсутствием стехиометрии. Процессы восстановления и вовсе сопровождаются масштабной структурной перестройкой и, судя по всему, большим количеством параллельно протекающих химических реакций по полихронному принципу. Однако очевиден тот факт, что отсутствие понимания этих процессов и детализации механизмов протекающих реакций, не позволяет в полной мере контролировать конечные свойства производимых материалов и получать продукцию с наперед заданными свойствами.

Графеноподобные материалы, в том числе восстановленный оксид графена, являются перспективными наполнителями для получения полимерных композитов с улучшенными физико-химическими и электрофизическими свойствами. Не секрет, что введение углеродных электропроводящих компонентов в полимерную матрицу позволяет придать, как правило диэлектрическому материалу, свойство электропроводности при достижении перколяционного порога. Использование в качестве такой электропроводящей добавки графеноподобных материалов позволяет существенно снизить необходимую пороговую концентрацию наполнителя, обеспечивающую проводимость, по сравнению с сажей или мелкодисперсным графитом, за счет высокого аспектного соотношения для планарных монослойных частиц, а также, как правило, приводит к улучшению физико-механических свойств материалов.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в исследовании кинетики процессов термического и химического восстановления оксида графена в различных режимах, определении влияния используемых режимов на структурные, химические и электрофизические свойства полученных материалов, разработке универсального метода получении полимерных композиционных материалов с высокой электропроводностью при сверхмалых

содержаниях электропроводящего наполнителя, а также разработке подходов к формированию высокоразвитой 3Э морфологии аэрогелей на основе восстановленного оксида графена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Для достижения цели был поставлен ряд задач:

1. Исследовать эволюцию парамагнитной системы и электропроводности окисленного графита различной степени окисления при его термическом восстановлении

2. Исследовать зависимость количественного и качественного состава газообразных продуктов, образующихся в процессе термического восстановления оксида графита в широком температурном диапазоне от 100 до 1000 °С в двух разных режимах - ступенчатый нагрев с небольшой скоростью и взрывное восстановление посредством термоудара

3. Провести структурный и химический анализ образцов восстановленного оксида графита, полученных различными методами восстановления: термическим воздействием и обработкой гидразином.

4. Разработать универсальный метод получения электропроводящих полимерных композитов с высокой электропроводностью, наполненных восстановленным оксидом графена, при сверхмалых содержаниях наполнителя

5. Проанализировать электропроводность полученных материалов в зависимости от метода восстановления оксида графена

6. Разработать метод получения аэрогелей на основе восстановленного оксида графена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

7. Провести анализ морфологии, электропроводности, физико-механических и гидрофобных свойств полученных материалов, а также структурный анализ.

Научная новизна работы. Работа содержит ряд экспериментальных и методических результатов, полученных впервые, основными из которых являются: 1. На основании анализа эволюции парамагнитной системы в процессе восстановления оксида графита различных степеней окисления выявлено

наличие по крайней мере двух стадий, первая из которых характеризуется накоплением неспаренных электронов, что говорит о значительном вкладе гомолитического распада связей в процессе восстановления, а вторая -резким спадом концентрации парамагнитных центров в системе и значительным ростом электропроводности.

2. Сравнение процессов взрывного восстановления оксида графита и восстановления посредством ступенчатого нагрева с низкой скоростью позволило заключить, что состав газообразных продуктов в обоих случаях один и тот же (СО2, Н2О и СО), а их мольные количества близки между собой, что позволяет сделать предположение об ансамблевом распаде кислородсодержащих групп. Определены кинетические параметры проистекающих процессов. Показано, что процесс взрывного восстановления оксида графита полностью соответствует теории самовоспламенения Н.Н. Семенова.

3. Впервые обнаружен и описан процесс взрывного восстановления оксида графита при контакте с парами гидразина при комнатной температуре и давлении ниже 10 Торр. Показано, что образующийся графеноподобный материал практически не отличается от восстановленного оксида графита, полученного взрывным восстановлением посредством термоудара.

4. Разработан универсальный низкотемпературный метод получения композиционных полимерных электропроводящих материалов, содержащих восстановленный оксид графена и имеющих высокую электропроводность до 1.43 См/м при сверхмалом содержании наполнителя. На термостойкой полимерной матрице Ф-42 показано, что данный способ приводит к более высоким значениям электропроводности (0.47 См/м), по сравнению с термическим восстановлением непосредственно в процессе прессования при Т=200 °С (до 0.11 См/м), а также существенно расширяет ряд полимеров, которые потенциально могут быть использованы для получения подобных материалов.

5. Разработан новый метод темплатной (шаблонной) полимеризации для получения композиционных полимерных аэрогелей, который основан на синтезе полимера непосредственно на поверхности пор наполнителя, который одновременно выполняет роль темплата. Показано, что возможности метода позволяют точно контролировать толщину полимерного слоя на поверхности стенок аэрогеля, структуру и свойства полученных материалов. Показано, что количество вводимого таким образом полимера на поверхность стенок графенового аэрогеля можно варьировать в широких пределах (по крайней мере, от 10 до 94 мас.%). В то же время, варьируя количество полимерного компонента и, следовательно, толщину полимерного слоя, можно управлять электропроводностью, микроструктурой, механическими и гидрофобными свойствами.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований процессов восстановления оксида графита в различных режимах и различными методами являются еще одним шагом на пути к разгадке механизма восстановления оксида графита, выявление которого, несомненно, поспособствует бурному развитию методов получения новых углеродных и углерод содержащих наноматериалов с заданными наперед и контролируемыми свойствами.

Разработанный универсальный метод получения электропроводящих полимерных композитов, содержащих восстановленную форму оксида графена, не требующий высокотемпературной обработки, позволяет существенно расширить ряд полимеров для данного применения, термическая устойчивость которых не позволяет проводить синтез при температуре эффективного восстановления оксида графена, а значит может стать основой для реализации в производственной сфере.

Разработанный подход к синтезу композиционных аэрогелей открывает новые перспективы для получения аэрогелей из различных материалов, в том числе из тех, применение которых при получении аэрогелей традиционными методами затруднительно или вовсе невозможно.

Методы исследования. Оксид графена, оксид графита и восстановленный оксид графена были проанализированы методами инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской спектроскопии поглощения, просвечивающей электронной микроскопии, кинетической газовой волюмометрии и ЭПР спектроскопии. Полученные композиционные материалы были испытаны на сжатие и проанализированы методами сканирующей электронной микроскопии, диэлектрической спектроскопии, рентгенофазового анализа,

термогравиметрического анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии, сидячей капли и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье.

Положения, выносимые на защиту:

1. Эволюция парамагнитной системы при термическом восстановлении оксида графита представляет собой двухстадийный процесс: на начальной стадии происходит накопление парамагнитных центров, которое сопровождается интенсивным выделением газообразных продуктов, на второй стадии -резкий спад концентрации неспаренных электронов, коррелирующий с ростом электропроводности материала.

2. Проведены оценки энергии активации, температуры при инициировании взрыва, максимальной температура взрыва, а также критической скорости нагрева при переходе от устойчивого разложения оксида графита к взрыву. Показано, что при взрывном восстановлении выделяется тот же набор продуктов, как и при ступенчатом термовосстановлении. Мольные количества выделяемых при взрыве СО2, Н2О и СО близки. Установлено, что процесс взрывного восстановления ОГ полностью соответствует теории самовоспламенения Н.Н. Семенова.

3. Впервые в мировой практике обнаружен режим взрывного восстановления ОГ в момент его контакта с парами гидразина при давлении ниже 10 Торр и комнатной температуре, при котором образуется графеноподобный

материал. Полученный в таком режиме материал близок по структуре и химическому составу восстановленному оксиду графита, полученному термоударом.

4. Разработанный универсальный метод получения полимерных электропроводящих композитов, наполненных восстановленным оксидом графена, позволяет достигать более высоких значений электропроводности, по сравнению с термическим восстановлением при Т=200 °С, при сверхмалых содержаниях наполнителя (0.63 мас.%).

5. Разработанный метод темплатной (шаблонной) полимеризации для получения композиционных полимерных аэрогелей, основанный на синтезе полимера непосредственно на поверхности пор наполнителя, который одновременно выполняет роль темплата, позволяет получать композиционные аэрогели с равномерным распределением полимера по всему объему аэрогеля, варьировать содержание полимера в широких пределах (по крайней мере, от 10 до 94 мас.%), управлять электропроводностью, микроструктурой, физико-механическими и гидрофобными свойствами.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов подтверждается воспроизводимостью полученных результатов.

Личный вклад автора. Вклад автора в диссертационную работу состоит в формулировке целей и задач проведенных исследований, синтезе образцов оксида графита/графена и его восстановленной формы, исследовании их физико-химических свойств (самостоятельно или с оператором прибора), получении образцов полимерных композиционных материалов, структурном анализе полученных материалов, обработке и обобщении литературных данных и полученных результатов, подготовке научных публикаций и докладов на российских и международных конференциях. Представленные в работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация результатов. По материалам настоящей работы были представлены доклады на следующих Российских и Международных научных конференциях:

Ежегодная научная конференция отдела полимеров и композиционных материалов «Полимеры 2013»-«Полимеры 2022» (Москва, 2013-2022); Nano-2014 - XII International Conference on Nanostructured Materials, (Москва, 2014); Симпозиум «Современная химическая физика» (Туапсе, 2014, 2017); EUPOC 2015 on Conducting Polymeric Materials (Italy, Gargnano, 2015); International Conference Advanced Carbon NanoStructures «ACNS» (Санкт-Петербург, 2015, 2017, 2019, 2021); 10th International Frumkin Symposium on Electrochemistry (Москва, 2015); Научная молодежная школа-конференции «Химия, физика, биология: пути интеграции» (Звенигород, 2015, 2016, 2017; Москва, 2018-2020, 2022); XV Ежегодная международная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗы "БИОХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА" (Москва, 2015); Вторая российская конференция «Графен: молекула и 2D-кристалл» (Новосибирск, 2017); 4th International Conference on Nanotechnology, Nanomaterials & Thin Films for Energy Applications «NANOENERGY 2017» (Finland, Espoo, 2017); International Symposium Advanced Nanomaterials: Chemistry, Physics and Biology «ISAN-2017» (Санкт-Петербург, 2017); The International workshop "Low-dimensional materials: theory, modeling, experiment" (Дубна, 2018).

Публикации. Результаты исследования отражены в 7 печатных работах, из которых 5 статей в ведущих рецензируемых российских научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, индексируемых в РИНЦ, Web of Science и Scopus, 1 статья в международном рецензируемом научном издании и 1 глава в монографии, опубликованная в международном издательстве IntechOpen.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 123 страницах, содержит 47 рисунков, 8 таблиц и 114 литературных источников.

Благодарности. Выражаю благодарность научному руководителю кандидату химических наук В. П. Мельникову. Выражаю особую благодарность своим коллегам - заведующему лабораторией М. К. Рабчинскому, старшему научному сотруднику С. Л. Баженову, старшему научному сотруднику Н. Г. Рывкиной, старшему научному сотруднику М. В. Байдаковой, младшему научному сотруднику Д. Ю. Столяровой и научному сотруднику К. А. Шияновой. Огромное спасибо моей супруге за моральную поддержку на всех этапах написания диссертационной работы.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Процессы восстановления окисленного графита

Интерес к окисленному графиту (ОГ), впервые синтезированному в 1859 г., резко возрос в последнее десятилетие после открытия уникальных свойств графена [1]. Основными свойствами ОГ, предопределившими этот интерес, являются простота синтеза, способность к диспергированию до практически монослойных частиц в полярных растворителях и легкость восстановления до графеноподобных материалов при термической или химической обработке. Эти материалы уже нашли применение в качестве тонких электропроводящих прозрачных слоев, сенсоров, элементов электродных составов для батарей и конденсаторов и др. [2]. Процессам синтеза ОГ, его структуре, различным методам восстановления и изучению свойств восстановленного оксида графита (ВОГ) посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. В работах, выполненных с применением спектральных (ИК, КР, РФЭС, ЯМР) и аналитических (элементный анализ, РФА и ТГА) методов, установлены основные функциональные кислородсодержащие группы, их эволюция при термическом и химическом восстановлении. Большое внимание в этих работах обращено на электрофизические свойства ВОГ, важные для многих практических применений этого материала. В работе [3] изучена кинетика изменения электропроводности однослойного листа ОГ при термической обработке, и показано, что при повышении температуры до 200 °С происходит снижение электрического сопротивления более чем на три порядка, что свидетельствует о значительном восстановлении системы сопряжения углеродных связей. В этом же температурном интервале происходит интенсивный экзотермический распад кислородсодержащих групп ОГ с выделением СО2, Н2О и СО. Несмотря на интенсивное изучение процессов, происходящих при термических и химических воздействиях на ОГ, механизмы химических реакций и структурных превращений, приводящих к восстановлению электропроводности, остаются дискуссионными [4-6].

На начальных этапах исследования для восстановления ОГ, как правило, использовали быстрый нагрев предварительно высушенных в разном виде образцов (> 2000 °С/мин) с целью получения графеноподобного эксфолиированного материала [7-10]. Эксфолиация происходит из-за резкого выделения газообразных продуктов разложения кислородсодержащих функциональных групп в пространствах между листами ОГ, что создает избыточное давление и приводит к отделению листов друг от друга. Данный метод не только позволяет проводить эксфолиацию, но также и существенно обедняет функциональный состав исходного ОГ. Такой двойной эффект обуславливает значительный интерес исследователей к процессу термической эксфолиации, а также делает его многообещающим в качестве одного из методов массового производства графеноподобных материалов. Однако данный процесс приводит к получению графеновых листов с высокой степенью дефектности и маленькими размерами базальной плоскости [8]. Это происходит главным образом из-за того, что разложение кислородсодержащих групп приводит к образованию СО и СО2, а значит неизбежно происходит удаление атомов углерода из графеновых плоскостей, что, в свою очередь, приводит к расщеплению графеновых листов на мелкие кусочки и к искажению углеродных плоскостей, как показано на рисунке 1.1.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Distance [nmj

Рисунок 1.1 - Псевдо-трехмерное изображение АСМ снимка 600x600 нм отдельного графенового листа, показывающее дефектную и грубую структуру

поверхности

Примерно 30% массы оксида графита теряется во время процесса термической эксфолиации, оставляя вместо себя структурные дефекты решетки [8]. Дефекты неизбежно влияют на электрофизические свойства материала за счет уменьшения длины пути баллистического транспорта электронов и образования рассеивающих центров. В результате электропроводность графеновых листов, полученных данным способом, имеет типичное среднее значение 10-23 См/см, что намного ниже, чем у идеального графена. Это указывает на слабый характер восстановления системы полисопряжения углеродных плоскостей в данном режиме.

Одним из наиболее важных параметров, влияющих на глубину восстановления ОГ, является температура. Исследования, проведенные разными научными группами, показывают, что при температурах термической обработки до 500 °С соотношение С/О составляет не более 7, а при достижении температуры 750 °С может превышать 13. Отжиг тонких пленок ОГ приводит к повышению объемной электропроводности при увеличении температуры обработки. Так термическая обработка при температурах 500, 700 и 1100 °С приводит к образованию материалов с объемной электропроводностью 50, 100 и 550 См/см, соответственно [11]. Кратковременное повышение температуры до 2000 °С и выше путем обработки ОГ электродуговым разрядом, приводит к эксфолиации графеновых листов [12]. Полученный материал имеет удельную электропроводность около 2000 См/см, а отношение С/О, по данным элементного анализа, составляет 15-18.

Помимо температуры важным параметром восстановительных процессов является среда, в которой происходит нагрев ОГ. Поскольку процесс восстановления, как правило, проводят при достаточно высоких температурах, то восстановление ОГ на воздухе осуществлять не представляется возможным из-за присутствующего в атмосфере кислорода. По этой причине восстановление проводят в инертной атмосфере [11], вакууме [13] или восстановительной среде [7,10,11,14]. Восстановление ОГ в атмосфере водорода, например, происходит достаточно эффективно (С/О составляет 14,9) при относительно низкой

температуре [10]. Термическая обработка в присутствии аммиака позволяет не только проводить восстановление ОГ, но и допировать структуру азотом [14]. Показано, что максимальный уровень допирования достигается при термической обработке ОГ в присутствии аммиака при температуре 500 °С и составляет 5 %. Измерения электропроводности показали, что ОГ, восстановленный в присутствии МИ3, имеет более высокую электропроводность, чем восстановленный в атмосфере Н2. Интересными также являются процессы термообработки ОГ в присутствии газообразных источников углерода. Например, показано, что восстановление ОГ в присутствие этилена при 800 °С приводит к «залечиванию» части дефектов, по сути, напоминающему процесс химического осаждения из газовой фазы, который используется для синтеза одностенных углеродных нанотрубок, и созданию более близкой к графену структуры [15]. Электропроводность отдельно взятого листа ОГ, в данном случае, составляла порядка 350 См/м. Сходное явление наблюдается и при термическом воздействии на восстановленный ОГ в присутствии других углерод содержащих соединений, например, различных ароматических молекул [16]. Проводимость материалов, полученных таким способом, может достигать 103 См/см.

Таким образом, восстановление ОГ путем термической обработки является высокоэффективным процессом, однако не лишенным ряда недостатков. Во-первых, высокие температуры подразумевают большой расход энергии и довольно сложные условия обработки. Во-вторых, если проводить восстановление в готовом структурированном материале, например, в пленке, то скорость нагрева должна быть достаточно малой, в противном случае быстрое нагревание может привести к взрывной эксфолиации. Однако малая скорость нагрева делает термическое восстановление ОГ долговременным процессом. В-третьих, для некоторых приложений важно получать материал на подложке, например, тонкие углеродные пленки, но использование высокой температуры означает, что этот метод восстановления не может быть применен для пленок ОГ на подложках с низкой температурой плавления, таких как стекло и полимеры.

Термический отжиг обычно проводят, используя тепловое излучение, однако в качестве альтернативных источников нагрева материала могут быть использованы микроволновое воздействие [18, 19] или фотооблучение [20, 21]. Основным преимуществом микроволновой обработки по сравнению с традиционными способами нагрева является способность повышать температуру веществ достаточно равномерно и быстро. При обработке порошков ОГ в обычной бытовой микроволновой печи процесс восстановления проходит за 1 мин в определенных условиях [18].

Восстановление пленок ОГ может быть произведено путем воздействия одиночной вспышки ксеноновой лампы, находящейся в непосредственной близости от объекта восстановления (< 2 мм, -1 Дж/см2), которая может обеспечить в 9 раз больше тепловой энергии, необходимой для нагрева ОГ соответствующей толщины на 100 °С. Такой энергии должно быть более чем достаточно для обеспечения процесса разложения кислородсодержащих функциональных групп. Толщина пленки после подобной обработки, как правило, увеличивается в десятки раз, а электропроводность составляется 10 См/см (при расчете использовалась толщина в максимально расширенном месте). Поскольку свет вспышки можно легко экранировать, такой подход к восстановлению ОГ позволяет напрямую изготавливать микроэлектронные устройства из пленок ОГ с использованием фотомасок необходимой формы (Рисунок 1.2 а).

Другой подход к фотовосстановлению заключается в использовании локальной обработки пленок ОГ лазерным пучком. Например, в работе [21] использовали лазерный пучок с длиной волны 790 нм, длительностью импульса 120 фс, частотой 80 МГц, имеющий еще большую плотность мощности, чем вспышка ксеноновой лампы, и существенно меньшую площадь нагрева, позволяющую получать линии ВОГ на пленке ОГ с шириной в диапазоне 10-1-101 мкм. В результате лазерное восстановление может приводить к получению материала с гораздо большей проводимостью (256 См/см), а форму линий ВОГ можно задавать и варьировать запрограммированным лазером непосредственно на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гудков Максим Владимирович, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Novoselov K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science.

- 2004. - Т. 306. - №. 5696. - С. 666-669.

2. Zhu Y. et al. Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications // Advanced materials. - 2010. - Т. 22. - №. 35. - С. 3906-3924.

3. Jung I. et al. Reduction kinetics of graphene oxide determined by electrical transport measurements and temperature programmed desorption // The Journal of Physical Chemistry C. - 2009. - Т. 113. - №. 43. - С. 18480-18486.

4. Chua C. K., Pumera M. Covalent chemistry on graphene // Chemical Society Reviews. - 2013. - Т. 42. - №. 8. - С. 3222-3233.

5. Acik M. et al. The role of intercalated water in multilayered graphene oxide // ACS nano. - 2010. - Т. 4. - №. 10. - С. 5861-5868.

6. Zhan D. et al. Electronic structure of graphite oxide and thermally reduced graphite oxide // Carbon. - 2011. - Т. 49. - №. 4. - С. 1362-1366.

7. Wu Z. S. et al. Synthesis of high-quality graphene with a pre-determined number of layers // Carbon. - 2009. - Т. 47. - №. 2. - С. 493-499.

8. Schniepp H. C. et al. Functionalized single graphene sheets derived from splitting graphite oxide // The journal of physical chemistry B. - 2006. - Т. 110. - №. 17. -С. 8535-8539.

9. McAllister M. J. et al. Single sheet functionalized graphene by oxidation and thermal expansion of graphite // Chemistry of materials. - 2007. - Т. 19. - №. 18.

- С. 4396-4404.

10. Wu Z. S. et al. Synthesis of graphene sheets with high electrical conductivity and good thermal stability by hydrogen arc discharge exfoliation // ACS nano. - 2009.

- Т. 3. - №. 2. - С. 411-417.

11. Wang X., Zhi L., Müllen K. Transparent, conductive graphene electrodes for dye -sensitized solar cells // Nano letters. - 2008. - Т. 8. - №. 1. - С. 323-327.

12. Pan D. et al. Hydrothermal route for cutting graphene sheets into blue-luminescent graphene quantum dots // Advanced materials. - 2010. - T. 22. - №. 6. - C. 734738.

13. Becerril H. A. et al. Evaluation of solution-processed reduced graphene oxide films as transparent conductors // ACS nano. - 2008. - T. 2. - №. 3. - C. 463-470.

14. Li X. et al. Simultaneous nitrogen doping and reduction of graphene oxide // Journal of the American Chemical Society. - 2009. - T. 131. - №. 43. - C. 1593915944.

15. Gengler R. Y. N. et al. Large-Yield Preparation of High-Electronic-Quality Graphene by a Langmuir-Schaefer Approach // Small. - 2010. - T. 6. - №2. 1. - C. 35-39.

16. Su Q. et al. Composites of graphene with large aromatic molecules // Advanced materials. - 2009. - T. 21. - №. 31. - C. 3191-3195.

17. Gengler R. Y. N. et al. Large-Yield Preparation of High-Electronic-Quality Graphene by a Langmuir-Schaefer Approach // Small. - 2010. - T. 6. - №2. 1. - C. 35-39.

18. Zhu Y. et al. Microwave assisted exfoliation and reduction of graphite oxide for ultracapacitors // Carbon. - 2010. - T. 48. - №. 7. - C. 2118-2122.

19. Hassan H. M. A. et al. Microwave synthesis of graphene sheets supporting metal nanocrystals in aqueous and organic media // Journal of Materials Chemistry. -2009. - T. 19. - №. 23. - C. 3832-3837.

20. Cote L. J., Cruz-Silva R., Huang J. Flash reduction and patterning of graphite oxide and its polymer composite // Journal of the American Chemical Society. - 2009. -T. 131. - №. 31. - C. 11027-11032.

21. Zhang Y. et al. Direct imprinting of microcircuits on graphene oxides film by femtosecond laser reduction // Nano today. - 2010. - T. 5. - №. 1. - C. 15-20.

22. Kotov N. A., Dékany I., Fendler J. H. Ultrathin graphite oxide-polyelectrolyte composites prepared by self-assembly: Transition between conductive and non-conductive states // Advanced Materials. - 1996. - T. 8. - №. 8. - C. 637-641.

23. Stankovich S. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide // Carbon. - 2007. - T. 45. - №. 7. - C. 1558-1565.

24. Stankovich S. et al. Stable aqueous dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly (sodium 4-styrenesulfonate) // Journal of Materials Chemistry. - 2006. - T. 16. - №. 2. - C. 155-158.

25. Gómez-Navarro C. et al. Electronic transport properties of individual chemically reduced graphene oxide sheets // Nano letters. - 2007. - T. 7. - №. 11. - C. 34993503.

26. Mattevi C. et al. Evolution of electrical, chemical, and structural properties of transparent and conducting chemically derived graphene thin films // Advanced Functional Materials. - 2009. - T. 19. - №. 16. - C. 2577-2583.

27. Li D. et al. Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets // Nature nanotechnology. - 2008. - T. 3. - №. 2. - C. 101-105.

28. Fernández-Merino M. J. et al. Vitamin C is an ideal substitute for hydrazine in the reduction of graphene oxide suspensions // The Journal of Physical Chemistry C. -2010. - T. 114. - №. 14. - C. 6426-6432.

29. Zhu Y. et al. Transparent self-assembled films of reduced graphene oxide platelets // Applied Physics Letters. - 2009. - T. 95. - №. 10. - C. 103104.

30. Robinson J. T. et al. Wafer-scale reduced graphene oxide films for nanomechanical devices // Nano letters. - 2008. - T. 8. - №. 10. - C. 3441-3445.

31. Gilje S. et al. A chemical route to graphene for device applications // Nano letters. - 2007. - T. 7. - №. 11. - C. 3394-3398.

32. Chen H. et al. Mechanically strong, electrically conductive, and biocompatible graphene paper // Advanced Materials. - 2008. - T. 20. - №. 18. - C. 3557-3561.

33. He Q. et al. Centimeter-long and large-scale micropatterns of reduced graphene oxide films: fabrication and sensing applications // ASC Nano. - 2010. - T. 4. - №. 6. - C. 3201-3208.

34. Stankovich S. et al. Graphene-based composite materials // Nature. - 2006. - T. 442. - №. 7100. - C. 282-286.

35. Shin H. J. et al. Efficient reduction of graphite oxide by sodium borohydride and its effect on electrical conductance // Advanced Functional Materials. - 2009. - T. 19. - №. 12. - C. 1987-1992.

36. Periasamy M., Thirumalaikumar M. Methods of enhancement of reactivity and selectivity of sodium borohydride for applications in organic synthesis // Journal of Organometallic Chemistry. - 2000. - T. 609. - №. 1-2. - C. 137-151.

37. Gao W. et al. New insights into the structure and reduction of graphite oxide // Nature chemistry. - 2009. - T. 1. - №. 5. - C. 403-408.

38. Pei S. et al. Direct reduction of graphene oxide films into highly conductive and flexible graphene films by hydrohalic acids // Carbon. - 2010. - T. 48. - №. 15. -C. 4466-4474.

39. Moon I. K. et al. Reduced graphene oxide by chemical graphitization // Nature communications. - 2010. - T. 1. - №. 1. - C. 1-6.

40. Zhao J. et al. Efficient preparation of large-area graphene oxide sheets for transparent conductive films // ACS nano. - 2010. - T. 4. - №. 9. - C. 5245-5252.

41. Wang G. et al. Facile synthesis and characterization of graphene nanosheets // The Journal of Physical Chemistry C. - 2008. - T. 112. - №. 22. - C. 8192-8195.

42. Fan X. et al. Deoxygenation of exfoliated graphite oxide under alkaline conditions: a green route to graphene preparation // Advanced Materials. - 2008. - T. 20. - №.

23. - C. 4490-4493.

43. Zhou X. et al. Reducing graphene oxide via hydroxylamine: a simple and efficient route to graphene // The Journal of Physical Chemistry C. - 2011. - T. 115. - №.

24. - C. 11957-11961.

44. Zhou Y. et al. Hydrothermal dehydration for the "green" reduction of exfoliated graphene oxide to graphene and demonstration of tunable optical limiting properties // Chemistry of Materials. - 2009. - T. 21. - №. 13. - C. 2950-2956.

45. Wang H. et al. Solvothermal reduction of chemically exfoliated graphene sheets // Journal of the American Chemical Society. - 2009. - T. 131. - №. 29. - C. 99109911.

46. Dubin S. et al. A one-step, solvothermal reduction method for producing reduced graphene oxide dispersions in organic solvents // ACS nano. - 2010. - T. 4. - №. 7. - C. 3845-3852.

47. Demazeau G. Solvothermal processes: a route to the stabilization of new materials // Journal of Materials Chemistry. - 1999. - T. 9. - №. 1. - C. 15-18.

48. Sun X., Li Y. Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles // Angewandte Chemie. - 2004. - T. 116. - №. 5. - C. 607611.

49. Zhang L. W., Fu H. B., Zhu Y. F. Efficient TiO2 photocatalysts from surface hybridization of TiO2 particles with graphite-like carbon // Advanced Functional Materials. - 2008. - T. 18. - №. 15. - C. 2180-2189.

50. Luo L. B. et al. Large-scale fabrication of flexible silver/cross-linked poly (vinyl alcohol) coaxial nanocables by a facile solution approach // Journal of the American Chemical Society. - 2005. - T. 127. - №. 9. - C. 2822-2823.

51. Zhou M. et al. Controlled synthesis of large-area and patterned electrochemically reduced graphene oxide films // Chemistry-A European Journal. - 2009. - T. 15.

- №. 25. - C. 6116-6120.

52. Wang Z. et al. Direct electrochemical reduction of single-layer graphene oxide and subsequent functionalization with glucose oxidase // The Journal of Physical Chemistry C. - 2009. - T. 113. - №. 32. - C. 14071-14075.

53. An S. J. et al. Thin film fabrication and simultaneous anodic reduction of deposited graphene oxide platelets by electrophoretic deposition // The Journal of Physical Chemistry Letters. - 2010. - T. 1. - №. 8. - C. 1259-1263.

54. Ramesha G. K., Sampath S. Electrochemical reduction of oriented graphene oxide films: an in situ Raman spectroelectrochemical study // The Journal of Physical Chemistry C. - 2009. - T. 113. - №. 19. - C. 7985-7989.

55. Si Y., Samulski E. T. Synthesis of water soluble graphene // Nano letters. - 2008.

- T. 8. - №. 6. - C. 1679-1682.

56. Eda G., Fanchini G., Chhowalla M. Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material //Nature nanotechnology. -2008. - Т. 3. - №. 5. - С. 270-274.

57. Gudkov M. V., Melnikov V. P. Graphene oxide/reduced graphene oxide aerogels // Graphene Oxide-Applications and Opportunities. - 2018. - С. 39-55.

58. Barroso-Bujans F., Alegria A., Colmenero J. Kinetic study of the graphite oxide reduction: combined structural and gravimetric experiments under isothermal and nonisothermal conditions // The Journal of Physical Chemistry C. - 2010. - Т. 114.

- №. 49. - С. 21645-21651.

59. Yin K. et al. Thermodynamic and kinetic analysis of lowtemperature thermal reduction of graphene oxide // Nano-Micro Letters. - 2011. - Т. 3. - №2. 1. - С. 5155.

60. Brodie B. C. On the atomic weight of graphite // Philosophical transactions of the Royal Society of London. - 1859. - №. 149. - С. 249-259.

61. Qiu Y. et al. Explosive thermal reduction of graphene oxide-based materials: mechanism and safety implications // Carbon. - 2014. - Т. 72. - С. 215-223.

62. Kim F. et al. Self-propagating domino-like reactions in oxidized graphite // Advanced Functional Materials. - 2010. - Т. 20. - №. 17. - С. 2867-2873.

63. Krishnan D. et al. Energetic graphene oxide: Challenges and opportunities // Nano today. - 2012. - Т. 7. - №. 2. - С. 137-152.

64. Bulgin D. Electrically conductive rubber // Rubber Chemistry and Technology. -1946. - Т. 19. - №. 3. - С. 667-695.

65. Norman R. H. Conductive Rubber; Its Production, Application and Test Methods.

- Maclaren, 1957.

66. Norman R. H. Conductive Rubber and Plastics. - Elsevier, 1970.

67. Гуль В. Е., Царский Л. Н., Майзель Н. С., Шенфиль Л. З., Журавлев В. С., Щибря Н. Г. Электропроводящие полимерные материалы. - М., Химия, 1968.

68. Догадкин Б. А., Печковская К. А., Мильман Ц. Б. - Коллоид. ж., 1952, т. 14, №5, с. 346-356

69. Печковская К. А., Мильман Ц. Б., Догадкин Б. А., - Коллоид. ж., 1952, т. 14, №4, с. 250-259

70. Догадкин Б. А., Печковская К. А., Труды III Всесоюзной конференции по коллоидной химии. - М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 371-373

71. Гальперин Б. С. Непроволочные резисторы: Физические основы, конструкции, технология и характеристики. - Энергия. Ленингр. отд-ние, 1968.

72. Gurland J. An estimate of contact and contiguity of dispersions in opaque samples // Trans. Metallurgical Society of AIME. - 1966. - Т. 236. - С. 642-646.

73. Aharoni S. M. Electrical resistivity of a composite of conducting particles in an insulating matrix // Journal of Applied Physics. - 1972. - Т. 43. - №2. 5. - С. 24632465.

74. Гуль В. Е., Журавлев В. С. Получение, свойства и применение электропроводящих резин // Каучук и резина. - 1967. - №. 12. - С. 31-34.

75. Polley M. H., Boonstra B. Carbon blacks for highly conductive rubber // Rubber Chemistry and Technology. - 1957. - Т. 30. - №. 1. - С. 170-179.

76. Hummers Jr W. S., Offeman R. E. Preparation of graphitic oxide // Journal of the American Chemical Society. - 1958. - Т. 80. - №. 6. - С. 1339-1339.

77. Tang H. et al. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites // Nano letters. - 2012. - Т. 12. - №. 1. - С. 84-90.

78. Гуль. В. Е., Кессених Р. М., Молодых Н. Е., Колесников Л. В. - Пласт. Массы. - 1972. - №. 4. - C. 30-33.

79. Malliaris A., Turner D. T. Influence of particle size on the electrical resistivity of compacted mixtures of polymeric and metallic powders // Journal of Applied Physics. - 1971. - Т. 42. - №. 2. - С. 614-618.

80. Pang H. et al. An electrically conducting polymer/graphene composite with a very low percolation threshold // Materials Letters. - 2010. - Т. 64. - №2. 20. - С. 22262229.

81. Du J. et al. Comparison of electrical properties between multi-walled carbon nanotube and graphene nanosheet/high density polyethylene composites with a segregated network structure // Carbon. - 2011. - Т. 49. - №. 4. - С. 1094-1100.

82. Li M. et al. Electrical conductivity of thermally reduced graphene oxide/polymer composites with a segregated structure // Carbon. - 2013. - Т. 65. - С. 371-373.

83. Гудков М. В. и др. Полимерные композиты с графеном и его производными как функциональные материалы будущего // Высокомолекулярные соединения. Серия С. - 2022. - Т. 64. - № 1. - С. 45-68.

84. Gudkov M. V., Melnikov V. P. ERP study of graphite oxide thermal reduction: the evolution of paramagnetism and conductivity // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. - 2016. - Т. 7. - №. 1. - С. 244-252.

85. Ciric L. et al. Defects and localization in chemically-derived graphene // Physical Review B. - 2012. - Т. 86. - №. 19. - С. 195139.

86. Erickson K. et al. Determination of the local chemical structure of graphene oxide and reduced graphene oxide // Advanced materials. - 2010. - Т. 22. - №. 40. - С. 4467-4472.

87. Mkhoyan K. A. et al. Atomic and electronic structure of graphene-oxide // Nano letters. - 2009. - Т. 9. - №. 3. - С. 1058-1063.

88. Paredes J. I. et al. Atomic force and scanning tunneling microscopy imaging of graphene nanosheets derived from graphite oxide // Langmuir. - 2009. - Т. 25. -№. 10. - С. 5957-5968.

89. Горшенёв В. Н., Мельников В. П. Термостимулированное расширение графитов с различной степенью окисления // Химическая физика. - 2013. - Т. 32. - №. 1. - С. 37-37.

90. Zhang Y. H. et al. The distribution of wrinkles and their effects on the oxidation resistance of chemical vapor deposition graphene // Carbon. - 2014. - Т. 70. - С. 81-86.

91. Гудков М. В. и др. Взрывное восстановление оксида графита // Химическая физика. - 2018. - Т. 37. - №. 9. - С. 33-42.

92. Семенов Н. Н. Тепловая теория горения и взрывов // Успехи физических наук. - 1940. - Т. 24. - №. 8. - С. 433-486.

93. Зельдович Я. Б., Воеводский В. В. Тепловой взрыв и распространение пламени в газах // М.: Изд-во ММИ. - 1947.

94. Белькова Л. П., Громов В. С., Михайлов А. И. Полихронная кинетика процессов делигнификации древесины. 1. Процесс азотнокислой делигнификации // Химия древесины. - 1980. - №. 6. - С. 59-64.

95. Карпухин О. Н. Определение срока службы полимерного материала как физико-химическая проблема // Успехи химии. - 1980. - Т. 49. - №. 8. - С. 1523-1553.

96. Барашев П. П. Некоторые особенности обратных задач фрактальной химической кинетики // Химическая физика. - 2001. - Т. 20. - №. 2. - С. 34.

97. Гудков М. В. и др. Взрывное восстановление оксида графита парами гидразина при комнатной температуре // Доклады Академии наук. - 2018. -Т. 478. - № 3. - С. 298-301.

98. Гудков М. В. и др. Электропроводящие нанокомпозиты сегрегированной структуры на основе фторопласта Ф-42 и восстановленного оксида графена // Доклады Академии наук. - 2016. - Т. 466. - № 1. - С. 48.

99. Niyogi S. et al. Solution properties of graphite and graphene // Journal of the American Chemical Society. - 2006. - Т. 128. - №. 24. - С. 7720-7721.

100. Gudkov M.V. et al. Template-directed polymerization strategy for producing rGO/UHMWPE composite aerogels with tunable properties // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2023. - Т. 15. - №. 4. - С. 5628-5643.

101. Dimiev A. et al. Pristine graphite oxide //Journal of the American Chemical Society. - 2012. - Т. 134. - №. 5. - С. 2815-2822.

102. Blume R. et al. The influence of intercalated oxygen on the properties of graphene on polycrystalline Cu under various environmental conditions // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2014. - Т. 16. - №. 47. - С. 25989-26003.

103. Fan X. et al. Deoxygenation of exfoliated graphite oxide under alkaline conditions: a green route to graphene preparation // Advanced Materials. - 2008. - T. 20. - №. 23. - C. 4490-4493.

104. Li Y. et al. Synthesis of partially hydrogenated graphene and brominated graphene // Journal of Materials Chemistry. - 2012. - T. 22. - №. 30. - C. 15021-15024.

105. Perera S. D. et al. Alkaline deoxygenated graphene oxide for supercapacitor applications: An effective green alternative for chemically reduced graphene // Journal of Power Sources. - 2012. - T. 215. - C. 1-10.

106. Rabchinskii M. K. et al. Facile reduction of graphene oxide suspensions and films using glass wafers // Scientific reports. - 2018. - T. 8. - №. 1. - C. 1-11.

107. Farivar F. et al. Thermogravimetric analysis (TGA) of graphene materials: effect of particle size of graphene, graphene oxide and graphite on thermal parameters // C. - 2021. - T. 7. - №. 2. - C. 41.

108. Acik M. et al. Unusual infrared-absorption mechanism in thermally reduced graphene oxide // Nature materials. - 2010. - T. 9. - №. 10. - C. 840-845.

109. Acik M. et al. The role of oxygen during thermal reduction of graphene oxide studied by infrared absorption spectroscopy // The Journal of Physical Chemistry C. - 2011. - T. 115. - №. 40. - C. 19761-19781.

110. Krimm S., Liang C. Y., Sutherland G. Infrared spectra of high polymers. II. Polyethylene // The journal of chemical physics. - 1956. - T. 25. - №. 3. - C. 549562.

111. Jäger K. M. et al. Electron transport and ac electrical properties of carbon black polymer composites // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2001. - T. 34. -№. 17. - C. 2699.

112. Tchmutin I. A. et al. Electrical transport in 0-3 epoxy resin-barium titanate-carbon black polymer composites // Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. - 1998. - T. 36. - №. 11. - C. 1847-1856.

113. Zheng Z., Olayinka O., Li B. 2S-soy protein-based biopolymer as a non-covalent surfactant and its effects on electrical conduction and dielectric relaxation of

polymer nanocomposites //Engineered Science. - 2018. - T. 4. - №. 18. - C. 8799.

114. Dang Z. M. et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites //Progress in materials science. - 2012. - T. 57. - №. 4. - C. 660-723.