Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών δημητρίας - οξειδίου του γραφενίου - Κόνιαρης, Αλέξανδρος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I). Εργαστήριο Ανόργανης και Αναλυτικής Χημείας, 2018)
Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των δομών και των ιδιοτήτων νανοϋβριδικών υλικών δημητρίας – οξειδίου του γραφενίου. Στη συνέχεια έγινε προσπάθεια παρασκευής τροποποιημένου οξειδίου του γραφενίου και σύγκριση των ιδιοτήτων τους. Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα η οποία αποτελείται από ένα επίπεδο στρώμα sp2 ατόμων άνθρακα, το οποίο είναι πάχους ενός ατόμου και τα άτομα άνθρακα πάνω σε αυτό είναι πυκνά διατεταγμένα σε δισδιάστατο κυψελλοειδές πλέγμα. Πρόκειται για ένα υλικό με εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια και πολύ καλές ηλεκτρικές, μηχανικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες. Για τον λόγο αυτό βρίσκει εφαρμογή σε ένα πλήθος εφαρμογών, όπως στο πεδίο της βιοϊατρικής και σε καινούριες τεχνολογίες τρανζίστορ. Το γραφένιο μπορεί να παρασκευαστεί με διαφορετικές μεθόδους, με πιο σημαντική την σύνθεσή του μέσω του οξειδίου του γραφενίου. Το οξείδιο του γραφενίου έχει παρόμοια δομή με αυτή του γραφενίου και διαφέρει με αυτό στο γεγονός ότι περιέχει μια σειρά δραστικών χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου συνδεδεμένων με το εξαγωνικό του πλέγμα. Διατηρεί την δισδιάστατη δομή του γραφενίου και τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι η χημική του δραστικότητα και η υδροφιλικότητά του, η οποία του προσδίδει καλή διασπορά στο νερό. Λόγω των χαρακτηριστικών ομάδων που βρίσκονται στο οξείδιο του γραφενίου, είναι δυνατή η τροποποίησή του με σκοπό την επίτευξη συγκεκριμένων τελικών ιδιοτήτων και χαρακτηριστικών. Έτσι, το οξείδιο του γραφενίου αποτελεί την κύρια επιλογή γραφενικού υλικού για την παρασκευή νανοϋβριδικών που βασίζονται στο γραφενίο. Ο κύριος τρόπος παρασκευής οξειδίου του γραφενίου από γραφίτη είναι μέσω της μεθόδου Hummers. Σε τελευταίες μελέτες έχει ανακαλυφθεί ότι ο οξείδιο του γραφενίου μπορεί να ενισχυθεί ως προς την δυνατότητα απορρόφησης περισσότερων νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του, και έτσι την βελτίωση των τελικών ιδιοτήτων του νανοϋνριδικού υλικού. Για τον σκοπό αυτό εισάγονται στην δομή του GO υδρόφιλες λειτουργικές ομάδες καρβοξυλίου. Αυξάνοντας έτσι την υδροφιλικότητα είναι δυνατή η χρήση του λεγόμενου GO-COOH σε ένα νέο πλήθος εφαρμογών, όπως η μεταφορά φαρμάκων λόγω της αυξημένη βιοσυμβατότητάς του. Οι επιπλέον λειτουργικές ομάδες οξυγόνου στην επιφάνεια δρουν ως κέντρα ανάπτυξης νανοσωματιδίων, όπως στην περίπτωσή μας των νανοσωματιδίων CeO2. Το δημήτριο είναι βρίσκεται στην σειρά των λανθανίδων στον περιοδικό πίνακα. Είναι πολύ δραστικό και ένας ισχυρός παράγοντας οξείδωσης. Το οξείδιο του δημητρίου (CeO2) είναι το πιο σταθερό οξείδιό του και ονομάζεται επίσης δημητρία. Χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους κλάδους της βιομηχανίας, και ιδιαίτερα ως καταλύτης. Η δομή της δημητρίας είναι τετραεδρική μα κάθε ιόν οξυγόνου να περιβάλλεται από τέσσερα ιόντα δημητρίου. Έχει καλές οπτικές, καταλυτικές και φυσικοχημικές ιδιότητες και για τον λόγο αυτό γίνεται παγκοσμίως μεγάλη έρευνα για την περαιτέρω χρήση του σε άλλους βιομηχανικούς τομείς. Τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει μεγάλο ενδιαφέρον για την ενίσχυση των ιδιοτήτων του οξειδίου του γραφενίου. Διάφορα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί για τον σκοπό αυτό. Τελευταίες έρευνες έχουν αποδείξει τις καλές ιδιότητες νανοϋβριδικού υλικού οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας. Κύριος λόγος είναι ο καλός συνδυασμός των ιδιοτήτων τους και το γεγονός ότι είναι απαραίτητη η σύνδεση του οξειδίου του δημητρίου με υλικά που έχουν ως βάση τους τον άνθρακα, λόγω της υψηλής ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας, ώστε να μπορέσει να γίνει πλήρης αξιοποίηση των καλών οξειδοαναγωγικών ιδιοτήτων του CeO2. Τα νανοσύνθετα αυτά έχουν αποδείξει να έχουν καλές ιδιότητες σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μερικές από αυτές είναι η χρήση του νανοϋνριδικού υλικού ως υλικό υπερπυκνωτών λόγω της πολύ υψηλής ειδικής χωρητικότητάς του και ως βοηθητικό υλικό σε εφαρμογές κατάλυσης λόγω της μεγάλης ανθεκτικότητάς του. Για το λόγο αυτό ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση εύκολου και αποτελεσματικού τρόπου σύνθεσης νανοσύνθετων οξειδίου του γραφενίου – οξειδίου του δημητρίου υπό τις βέλτιστες συνθήκες και στη συνέχεια η ανάλυση του τελικού προϊόντος. Στο εργαστήριο έγινε σύνθεση του οξειδίου του γραφενίου μέσω οξείδωσης του γραφίτη με την τροποποιημένη μέθοδο Hummers. Αυτή η μέθοδος διαρκεί αρκετές μέρες και επαναλήφθηκε αρκετές φορές για σύνθεση αρκετής ποσότητας GO για όλα τα πειράματα που ακολούθησαν. Η σύνθεση των νανοϋβριδικών υλικών οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας έγινε in situ με τη μέθοδο της ηλεκτροστατικής αυτοσυναρμολόγησης πάνω στα νανοφύλλα του GO. Το νανοϋβριδικό υλικό παράχθηκε με τρεις διαφορετικές μεθόδους, τη μέθοδο απλής ανάμειξης, την διαλυτοθερμική κατεργασία με χρήση αυτοκλείστου και τη μέθοδο με εφαρμογή μικροκυματικής ακτινοβολίας. Στις τελευταίες δύο μεθόδους το oξείδιο του γραφενίου ενεργοποιήθηκε πρώτα με τις επιφανειοδραστικές ουσίες CTAB και PSS και στη συνέχεια διασπάρθηκε σε αιθυλενογλυκόλη, ενώ στην υδροθερμική μέθοδο χρησιμοποιείται μόνο το CTAB. Στα διαλύματα που προκύπτουν προστέθηκε άλας δημητρίας Ce(NO3)3*6H2O και το τελικό διάλυμα μεταφέρθηκε, ανάλογα με τη μέθοδο, σε λουτρό, αυτόκλειστο αντιδραστήρα ή σε ειδικό αντιδραστήρα μικροκυματικής ακτινοβολίας προς σχηματισμό ιόντων Ce3+ και μετατροπή αυτών στη συνέχει σε σωματίδια CeO2 πάνω στην επιφάνεια του GO. Απαραίτητη είναι η ύπαρξη υψηλής θερμοκρασίας. Οι ίδιες διαδικασίες ακολουθήθηκαν και για την παρασκευή νανοσύνθετων GO-COOH/CeO2, χρησιμοποιώντας το τροποποιημένο οξείδιο του γραφενίου. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν η ποσότητα άλατος δημητρίας που προστέθηκε σε κάθε δείγμα, καθώς και οι συνθήκες αντιδράσεως και επεξεργασίας των διαλυμάτων, όπως η θερμοκρασία. Έγινε προσπάθεια εύρεσης της πιο αποτελεσματικής διαδικασία σύνθεσης νανοσύνθετων οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας. Τα προϊόντα που προέκυψαν από τα συνολικά 14 πειράματα σύνθεσης του νανοϋνριδικού υλικού και τα 9 πειράματα παρασκευής και τροποποίησης οξειδίου του γραφενίου χαρακτηρίστηκαν με διάφορες ενόργανες χημικές μεθόδους ανάλυσης. Η Περίθλαση Ακτίνων X (XRD), η Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), η Θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA), η Φασματοσκοπία σκέδασης micro Raman (micro Raman Spectroscopy) και το Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου (FESEM) εφαρμόστηκαν για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων. Έγινε προσπάθεια πιστοποίησης επιτυχούς ενσωμάτωσης νανοσωματιδίων οξειδίου του δημητρίου πάνω στα νανοφύλλα του GO και του GO-COOH και παροχή πληροφοριών σχετικά με την δομή, τη μορφολογία, το μέγεθος και την κατανομή των νανοσωματιδίων αυτών. Τέλος, έγινε ανάλυση της σταθερότητας και της δομής των τελικών προϊόντων συνολικά, σε σχέση με της συνθήκες σύνθεσης των επιμέρους δειγμάτων.