SUPERVISOR
جواد کریمی ثابت (استاد راهنما) سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Mohamadi
سعید محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Experimental Study of Graphene Synthesis by Graphite Oxide Based Chemical Methods and Comparison of Properties as an Additive for Composite Nanofibrous Membrane
Due to extraordinary properties of graphene, it becomes one of the most promising materials in many applications. Graphene and it’s derivatives like graphene oxide, functionalized graphene oxide/graphene have been used in electronic devices, drug delivery, membrane and separation processes, additives and composites. Despite several graphene producing methods, because of good quality, mass production and versatility of graphite oxide-based chemical method, the method has been taken notice. The method is a way containing several steps. The steps include graphite preoxidation, main oxidation, Exfoliation, reduction and functionalization. In this study, each step was investigated with several preparation methods to select the best one based on aim of each step. Selected methods of each step accompanied with reforms and changes, were got together and made appropriative way for producing graphene and functionalized one. Graphite preoxidation with selected method increased interlayer distance of graphene layers 0.17 %. Main oxidation with double modified hummers and modified tour methods increase interlayer distance 1.65 and 3.65 % more than conventional hummers and tour methds respectively without poisonous gases production like N 2 O and N 2 O 4 . Step by step exfoliation and reduction/functionalization of graphite oxide is one of the most common graphene producing method. Time consumption and high temperature condition is one of the challenging problems. In this study, in addition to conventional one, room temperature and short time simultaneous exfoliation and reduction/functionalization of graphite oxide carried out under ultrasonication. Both of them work successfully. Graphene was functionalized with octadecyl amine by the way and used as additives in four weight percent of polymer (0,0.2,0.4,0.8) to make superhydrophobic electrospun poly (vinylidene fluoride-co-haexafluoro propylene) (PVDF-HFP)- octadecyl amine functionalized graphene nano sheets(ODA-FGNS) composite nanofibrous membranes. Addition of ODA-FGNS to PVDF-HFP solution increased hydrophobicity, salt rejection percentage, porosity, mean pore size and mean nanofiber diameter. 0.2 % ODA-FGNS addition shew beter effects for composite nanofibrous membrane because of good dispersibilty. In the percent, desalination and product flux increased 1.3 and 16.8 % more than pure nanofibrous membrane respectively. In this study X-ray diffraction (XRD), Atomic force microscopy (AFM), Raman, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Scanning electron microscopy (SEM) and contact angle (CA) techniques were used for characterization. Keywords : graphite oxide; graphene; exfoliation; reduction
گرافن به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در بسیاری از کاربردهای مهم و حساس مانند ساخت غشا‌ء، جداسازی در فرایندهای شیمیایی، ساخت وسایل الکترونیکی، داروهای زیستی و دارو رسانی و.... مورد توجه قرار گرفته است و روش‌های شیمیایی تولید گرافن به عنوان پرکاربردترین روش‌ها مطرح هستند. اکسید گرافیت، به عنوان پیش ماده‌ی مناسبی برای تولید گرافن و ترکیب‌های آن شناخته می‌شود و گرافن و گونه‌ی عامل دار شده‌ی آن، قابلیت استفاده به عنوان افزودنی جهت بهبود خواص ترکیب‌های چند سازه را دارند. تولید گرافن و گونه‌ی عامل دار شده‌ی آن بر پایه‌ی اکسید گرافیت، مسیری است که از چندین مرحله تشکیل شده است. در پژوهش حاضر، هر کدام از این مراحل که شامل اکسید کردن اولیه‌ی گرافیت، اکسید کردن اصلی، تورق لایه‌ها، کاهش و عامل دار کردن می‌باشند با چندین روش، مورد بررسی تجربی قرار گرفتند. در هر مرحله روشی مناسب با توجه به هدف آن مرحله انتخاب می‌شود تا در نهایت با در کنار هم قرار دادن این روش‌های منتخب از هر مرحله، مسیر مناسبی برای تولید گرافن و گرافن عامل دار شده، به دست آید و به عنوان افزودنی در محلول بسپار، جهت الکتروریسی و ساخت غشای نانوالیاف چند سازه‌ای، مورد استفاده قرار گیرد. روش‌های مورد استفاده در هر مرحله با تغییر و اصلاح‌هایی نیز همراه شد که آثار مثبتی دربر داشت. اکسید کردن اولیه‌ی گرافیت به روش منتخب آن مرحله، باعث افزایش فاصله‌ی بین لایه‌ها در حدود 17/0 درصد شد. در ادامه روش هامرز دو بار اصلاح‌شده و روش اصلاح‌شده‌ی توور که جز روش‌های اصلاح‌شده در این پژوهش بودند فاصله‌ی بین لایه‌ها را نسبت به اکسید گرافیت تولیدی روش‌های متداول، به ترتیب 65/1 و 5/3 درصد افزایش دادند درحالی‌که گازهای سمی NO 2 و N 2 O 4 تولیدی روش هامرز را نداشتند. در ادامه اکسید گرافیت تولید شده به روش‌های اصلاح‌شده، با روش تورق و کاهش همزمان اکسید گرافیت تحت امواج فرا صوت، به گرافن و گرافن عامل دار شده، تبدیل شد و با روش مرسوم تورق و کاهش مجزا که با گرما دهی و همراه با استفاده از یک مبرد است، مقایسه شد. روش پیشنهادی در دمای اتاق و مدت زمان کمتری صورت می‌گیرد حال آنکه روش مرسوم نیاز به گرما دهی و زمان زیاد دارد. در ادامه گرافن عامل دار شده با اکتا دسیل آمین، به روش پیشنهادی تولید شد و پخش شوندگی بالاتری از دیگر ترکیب‌های حاصل در حلال آلی دی متیل استامید نشان داد. گرافن عامل دار شده به عنوان افزودنی با درصدهای وزنی مختلف (0، 2/0، 4/0 و 8/0) در محلول بسپار پلی ونیلیدن فلوراید هگزا فلوئورو پروپیلن در حلال دی متیل استامید و استون، مورد استفاده قرار گرفت. افزودن گرافن عامل دار شده، آب‌گریزی، درصد جداسازی، تخلخل، استحکام، اندازه‌ی میانگین حفره‌ها، اندازه‌ی میانگین قطر نانوالیاف و شار محصول به دست آمده از نمک‌زدایی در فرایند تقطیر غشایی را نسبت به حالت بدون افزودنی افزایش داد. 2/0 درصد وزنی افزودنی گرافن عامل دار شده، نسبت به سایر درصدها نتایج بهتری نشان داد که می‌تواند به دلیل توزیع مناسب‌تر در حلال باشد. در این درصد وزنی، شار محصول حاصل از نمک‌زدایی، نسبت به حالت بدون افزودنی 8/16 درصد افزایش داشت و درصد جداسازی را نیز 3/1 درصد بهبود بخشید. تحلیل‌های پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نیروی اتمی، رامان، طیف‌سنجی مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی روبشی و زوایه‌ی تماس در مجموعه‌ی بررسی‌ها‌ی صورت گرفته، مورد استفاده قرار گرفتند. کلید واژه‌ها : اکسید گرافیت، گرافن، گرافن عامل دار شده، اکسید گرافن عامل دار شده، کاهش و تورق همزمان