ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

«Μελέτη νανοϋβριδικών και σύνθετων υλικών του άνθρακα, επικεντρώνοντας στην

ηλεκτρική αγωγιμότητα.»

Αθανάσιος Δεμεσλής , ΑΜ: 1048Επιβλέπων καθηγητής: Δρ. Βασίλειος Γεωργακίλας

Πάτρα, Σεπτέμβριος 2015

Ηλεκτρική Αγωγιμότητα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ως σταθερός παράγοντας πλήθους βιομηχανικών και τεχνολογικών εφαρμογών.

Δυνητικές εφαρμογές απαιτούν τη δημιουργία νέων υλικών τα οποία οφείλουν να διαθέτουν ένα πλήθος ιδιοτήτων, ενίοτε αλληλοσυγκρουόμενων.

Γραφένιο και CNTs

Το γραφένιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα ως υποψήφια μέσα υλοποίησης των ανωτέρω καινοτομιών.

Εφαρμογές και προκλήσεις

Τα νανοαλλότροπα του άνθρακα μπορούν να ενταχθούν σε ένα πλήθος εφαρμογών όπως σε χαμηλού κόστους αγώγιμα μελάνια και ηλεκτρικά κυκλώματα, με τη μορφή υδατικών διασπορών.

Πρόκληση αποτελεί ο υδρόφοβος χαρακτήρας των υλικών του άνθρακα.

Οι υδατικές διασπορές παρουσιάζουν πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις διασπορές σε οργανικούς διαλύτες.

Σκοπός εργασίας

Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται μια αποτελεσματική διαδικασία για τη διασπορά μιας βαρυσήμαντης ποσότητας φύλλων καθαρού γραφενίου σε νερό, χωρίς τη χρήση επιφανειοδραστικών ή πολυμερών. Ο ρόλος του σταθεροποιητή καταλαμβάνεται από νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος στους οποίους έχουν προστεθεί υδρόφιλες λειτουργικές ομάδες.

Πειραματική Διαδικασία

Η διαδικασία ολοκληρώθηκε σε τρία σκέλη.

1. Δημιουργία Γραφενίου

2. Δημιουργία σύνθετου, υβριδικού υλικού.

3. Μετρήσεις Αγωγιμότητας

Πίνακες διαλυτών

Διαλύτες διασπορών γραφενίου και νανοσωλήνων:

Διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη δημιουργία του σύνθετου, υβριδικού υλικού:

Ονομασία Χημικός ΤύποςDMF C3H7NO

Αιθανόλη C2H6O

Ονομασία Χημικός ΤύποςΑιθυλενογλυκόλη C2H6O2

Ύδωρ Η2Ο

Δημιουργία Γραφενίου

Η δημιουργία των φύλλων γραφενίου έγινε μέσω της διαδικασίας της αποδόμησης υγρής φάσης (liquid

phase exfoliation) σε γραφίτη.

1. Ένταξη 70mg γραφιτικής σκόνης σε 70mL DMF.2. Sonication διασποράς για 6 ώρες.3. Άφεση σε ηρεμία overnight.4. Διαχωρισμός διασποράς (60mL) από γραφίτη.

Δημιουργία σύνθετου, υβριδικού υλικού

1. Αφαίρεση αιθανόλης από τη διασπορά νανοσωλήνων.

2. Προσθήκη νανοσωλήνων στη διασπορά Gr και DMF.

3. Ανάδευση για 24 ώρες.

4. Αφαίρεση DMF μέσω φυγοκέντρησης.

5. Επαναδιασπορά του στερεού υπολείμματος σε νερό.

Σχηματική αναπαράσταση δημιουργίας

Συγκεντρώσεις παραγώμενων δειγμάτων.

Ονομασία Διαλύτης Συγκέντρωση υβριδίου

(mg/mL)

Συγκέντρωση Gr

(mg/mL)

Συγκέντρωση f-

MWCNTs (mg/mL)

Δείγμα 1 H2O 15 14 1

Δείγμα 2 H2O 25 - 30 23.3 - 28 1.6 - 2

Δείγμα 3 H2O + EG 30 28 2

Δείγμα 4 EG 100 93.3 6.6

Μικροσκοπία AFM

Φάσμα Raman

Φάσμα XPS

Απεικονίσεις SEM, TEM, HRTEM, AFM

Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας

Οι μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας έγιναν μέσω της μεθόδου 4 – Point.

Το δείγμα 3 χρησιμοποιήθηκε ως ink-jet αγώγιμο μελάνι (10-20 kΩ κατά την 50ή επανάληψη)

Ονομασία Rs (Ω / sq) G (S/m)Δείγμα 1 25 14000Δείγμα 2 5 28000

Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας

Ακόμη, το σύνθετο υλικό PVA / Gr / MWNT-f-OHs (20% w/w) είχε Rs = 1300Ω/sq, το οποίο αντιστοιχεί σε αγωγιμότητα 285 S/m, μια από τις υψηλότερες τιμές για συστήματα με κορμό το γραφένιο που έχουν επιτευχθεί στη βιβλιογραφία.

Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας

Τέλος, παρουσιάζεται ποιοτικά η αγωγιμότητα ενός κυρτού χαρτιού που έχει υποστεί βαφή με το υβρίδιο γραφενίου / νανοσωλήνων.

Συμπερασματικά

Επιτυχής διασπορά γραφενίου σε νερό, με τη βοήθεια MWNTs εμπλουτισμένων με υδρόφιλες ομάδες, συγκεντρώσεις σταθερές μέχρι και 15mg/mL.

Μη χρήση επιφανειοδραστικών, ιοντικών διαλυτών ή υδρόφιλων πολυμερών.

Εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, μικρό οικονομικό και περιβαλλοντικό κόστος.

Ανοίγει ο δρόμος για χρήση του υλικού σε εφαρμογές ink-jet printing και αγώγιμων πολυμερών.

Ευχαριστώ, απορίες;