Catalytic synthesis of graphite oxide and graphite nanostructures in transient glow-to-arc plasma discharge

Abstract

Carbon and carbon-based materials like graphene and graphene oxide exhibit a constantly expanding field of applications in science, medicine, and industry. However, their implementation is still hindered by the absence of a reliable, flexible, and highly productive method of synthesis. Most of the existing methods rely on the use of chemical reagents potentially dangerous for the environment. In this paper, a physical method based on the use of a transient glow-to-arc discharge is developed, and the carbon nanostructures are obtained during a single-step production in a plasma reactor. Argon and oxygen are used to grow either carbon or carbon oxide nanostructures on the surfaces of expanded graphite samples. To enhance the growth of the carbon nanostructures, an anode made of copper is employed in the setup, to serve as a source of the copper catalyst. As a result, complex three-dimensional carbon nanostructures with a density of about 0.01 μm-2 were detected using scanning electron microscopy (SEM) on the entire surface of the sample after the oxygen plasma treatment. An enlarged view of nanostructures shows that they are a composition of 2D and 1D nanostructures connected by jumpers, as well as the presence of tree-like and petal nanostructures with dimensions of approximately 3 μm in length and 30 nm in diameter. The replacement of oxygen with argon led to a significant change in the appearance of nanostructures. Layered 2D graphene-like and tree-like carbon nanostructures capped with copper particles of diameters up to 10 μm were found. The obtained nanostructures suggest that expanded graphite is an excellent source for the production of two-dimensional nanostructures, like graphene and graphene oxide, which can be used as components for field-effect transistors, nanofluidic applications, supercapacitors, and electromagnetic absorbers.

Вуглець і матеріали на основі вуглецю, такі як графен і оксид графену, демонструють постійно зростаючу область застосування в науці, медицині та промисловості. Проте їх реалізації все ще перешкоджає від-сутність надійного, гнучкого та високопродуктивного методу синтезу. Більшість існуючих методів засновані на використанні потенційно небезпечних для навколишнього середовища хімічних реагентів. У роботі роз-роблено фізичний метод, заснований на використанні перехідного тліючого-дугового розряду, і отримані вуглецеві наноструктури під час одностадійного циклу виробництва в плазмовому реакторі. Аргон і кисень задіяні для отримання наноструктур графену або оксиду графену. Для посилення росту вуглецевих наноструктур в установці використовується анод з міді, який служить джерелом каталітичних наночастинок міді. В результаті за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM) на всій поверхні зразка після обробки кисневою плазмою було виявлено складні тривимірні вуглецеві наноструктури з щільністю близько 0,01 мкм-2. Збільшений вигляд наноструктур показує, що вони являють собою композицію 2D і 1D наноструктур, з’єднаних перемичками, а також наявність деревоподібних і пелюсткових наноструктур з розмірами приблизно 3 мкм в довжину і 30 нм в діаметрі. Заміна кисню аргоном призвела до істотної зміни зовнішнього вигляду наноструктур. При цьому виявлено шаруваті двовимірні та деревоподібні вуглецеві наноструктури, укриті частинками міді діаметром до 10 мкм. Отримані наноструктури свідчать про те, що модифікований графіт є чудовим джерелом для виробництва двовимірних наноструктур, які можуть бути використані як компоненти для польових транзисторів, нанофлюїдних застосувань, суперконденсаторів та поглиначів електромагнітних хвиль.

Углерод и материалы на его основе, такие как графен и оксид графена, имеют постоянно расширяющуюся область применения в науке, медицине и промышленности. Однако их реализации пока мешает отсутствие надежного, гибкого и высокопроизводительного метода синтеза. Большинство существующих методов основаны на использовании химических реагентов, потенциально опасных для окружающей среды. В работе разработан физический метод, основанный на использовании переходного тлеющего-дугового разряда, и получены углеродные наноструктуры в ходе одностадийного производства в плазменном реакторе. Аргон и кислород используются для проведения наноструктур графена или оксида графена. Для ускорения роста углеродных наноструктур в установке используется анод из меди, который служит источником каталитических наночастиц меди. В результате с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на всей поверхности образца после кислородно-плазменной обработки были обнаружены сложные трехмерные углеродные наноструктуры плотностью около 0,01 мкм-2. Увеличенный вид наноструктур показывает, что они представляют собой композицию 2D и 1D наноструктур, соединенных перемычками, а также наличие древовидных и лепестковых наноструктур с размерами около 3 мкм в длину и 30 нм в диаметре. Замена кислорода на аргон привела к существенному изменению внешнего вида наноструктур. При этом обнаружены слоистые двумерные и древовидные углеродные наноструктуры, покрытые частицами меди диаметром до 10 мкм. Полученные наноструктуры позволяют предположить, что модифицированный графит является отличным источником для производства двумерных наноструктур, которые могут быть использованы в качестве компонентов полевых транзисторов, наножидкостных приложений, суперконденсаторов и поглотителей электромагнитных волн.