Σύνθεση και χαρακτηρισμός Νανοσύνθετου Υλικού από Οξείδιο του Γραφενίου και Μαγνητίτη - Καραμπάτσος, Δημήτριος Α. (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2014)
Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αποσκοπεί στη σύνθεση και το χαρακτηρισμό νανοσύνθετου υλικού αποτελούμενου από οξείδιο του γραφενίου (Graphene Oxide-GO) και νανοσωματίδια (Nanoparticles-NPs) μαγνητίτη. Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα η οποία αποτελείται από ένα επίπεδο, πάχους ενός ατόμου, στρώμα sp2 ατόμων άνθρακα, τα οποία είναι πυκνά διατεταγμένα σε δισδιάστατο (2D) κυψελλοειδές πλέγμα. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες και μεγάλη ειδική επιφάνεια, χαρακτηριστικά τα οποία πηγάζουν από τη δισδιάστατη δομή του και το καθιστούν ιδανικό για πλήθος εφαρμογών, όπως στο πεδίο της οπτοηλεκτρονικής, της κατάλυσης και της βιοιατρικής. Το οξείδιο του γραφενίου διατηρεί την στρωματική, δισδιάστατη δομή, με κύρια διαφορά την ύπαρξη διαφόρων χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου συνδεδεμένων με το υπάρχον εξαγωνικό πλέγμα. Διατηρεί σε ένα ποσοστό τις καλές ιδιότητες του γραφενίου, το πιο ελκυστικό όμως χαρακτηριστικό του είναι η χημική δραστικότητα του. Αποτέλεσμα αυτής είναι αφενός η δυνατότητα αναγωγής και παραγωγής καθαρού γραφενίου, αφετέρου η δυνατότητα τροποποίησης /ενεργοποίησης του, προκειμένου να επιτευχθούν επιθυμητές τελικές ιδιότητες και δομικά χαρακτηριστικά. Τα νανοσωματίδια μαγνητίτη (Fe3Ο4) είναι σιδηριμαγνητικά υλικά, τα οποία εμφανίζουν υπερπαραμαγνητικές ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου για μεγέθη κάτω από 10 nm, καθώς και καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και βιοσυμβατότητα. Η ενσωμάτωση τους σε νανοσύνθετα υλικά με το δραστικό οξείδιο του γραφενίου έχει ως αποτέλεσμα, λόγω και των φαινομένων συνέργειας, την εμφάνιση νέων και βελτιωμένων ιδιοτήτων. Πέραν αυτών, το κυριότερο χαρακτηριστικό των υλικών αυτών είναι η δυνατότητα μαγνητικού διαχωρισμού καθώς και η ομοιόμορφη τελική δομή, αφού κάθε φάση λειτουργεί αποτρεπτικά στη δημιουργία συσσωματώσεων της άλλης. Ως εκ τούτου, τα νανοσύνθετα αυτά είναι υποψήφια για εφαρμογές στην τεχνολογία απορρόφησης, στη βιοιατρική, στην αποθήκευση ενέργειας και σαν ηλεκτροχημικοί αισθητήρες. Στην παρούσα ερευνητική διαδικασία, η σύνθεση των νανοσύνθετων υλικών περιλαμβάνει αρχικά το στάδιο παρασκευής του GO και εν συνεχεία το στάδιο ενσωμάτωσης των νανοσωματιδίων στα νανοφύλλα. Το GO παράχθηκε μέσω οξείδωσης γραφίτη, με χρήση ισχυρών οξειδωτικών αντιδραστηρίων (modified Hummers method). Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων έγινε με τη μέθοδο της ηλεκτροστατικής αυτό-συναρμολόγησης (self assembly) πάνω στα νανοφύλλα του GO. Πιο συγκεκριμένα, το GO ενεργοποιήθηκε με τις επιφανειοδραστικές ουσίες CTAB και PSS και εν συνεχεία διαλύθηκε σε αιθυλενογλυκόλη (EG). Ο σχηματισμός των νανοσωματιδίων έγινε με διαλυτοθερμική (solvothermal) μέθοδο σε μέσο πολυόλης. Στο διάλυμα ενεργοποιημένου GO-EG προστέθηκε η πρόδρομη ουσία σιδήρου FeCl3•6Η2Ο και τα σταθεροποιητικά αντιδραστήρια NaAc και PEG και το εναιώρημα σφραγίστηκε σε αυτόκλειστο και θερμάνθηκε στους 200οC. Τα νανοσωματίδια σχηματίστηκαν in situ με συγκατακρήμνιση των ιόντων Fe3+ και Fe2+, τα οποία παρήχθησαν λόγω μερικής αναγωγής των πρώτων παρουσία της EG. Επιπλέον παράμετροι που εισήχθησαν στη συνθετική οδό ήταν η χρήση μεταβλητής ποσότητας πρόδρομου αντιδραστηρίου σιδήρου και η χρήση φάσης αναγμένου οξειδίου του γραφενίου (reduced graphene oxide-rGO). Το rGO σχηματίστηκε μέσω θερμικής αναγωγής με χρήση φλόγιστρου σε κενό. Η διαδικασία αυτή συντελεί στην απομάκρυνση μέρους των χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου και στην περαιτέρω αποφλοίωση του GO. Ο χαρακτηρισμός των προϊόντων έγινε με διάφορες ενόργανες χημικές μεθόδους ανάλυσης, όπως Περίθλαση Ακτίνων X (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου (FESEM), Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TG) και Φασματοσκοπία Raman (Raman Spectroscopy). Οι αναλύσεις με τις παραπάνω μεθόδους πιστοποίησαν την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων μαγνητίτη στα νανοφύλλα του GO και του rGO για όλες τις ποσότητες σιδήρου που χρησιμοποιήθηκαν. Επιπρόσθετα, ελήφθησαν πληροφορίες αναφορικά με τη δομή, τη μορφολογία, την κατανομή και το μέγεθος των νανοσωματιδίων, τη χημική δομή και τη θερμική σταθερότητα των τελικών υλικών, σε συνάρτηση και με το ποσοστό σιδήρου και την αξιοποίηση του rGO. Τέλος, τα νανοσύνθετα υλικά επιδεικνύουν υψηλή μαγνητική ευαισθησία κατά την επιβολή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.