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Graphene coating generation by the electrochemical and femtosecond laser-assisted reduction of graphene oxide

Martin Pfaffeneder-Kmen

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)

Betreuer*in

Wolfgang Kautek

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13156.77430.683652-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Graphenoxid ist ein zweidimensionales Material, bestehend aus sp2-hybridisiertem Kohlenstoff, sp3-hybridisiertem kohlenstoff und einer gewissen Menge sauerstofffunktioneller Gruppen. Es kann aus der Exfoliation von Graphitoxid gewonnen werden. Aufgrund der nicht-planaren Struktur, die zu einem größeren Abstand zwischen den Schichten in Graphitoxid führt, sind die Anziehungskräfte zwischen diesen schwächer im Vergleich zu Graphit. Darüber hinaus bewirken die sauerstoffhaltigen Gruppen Hydrophilie und somit Löslichkeit in Wasser. Diese und andere Eigenschaften machen Graphenoxid zu einem interessanten Studienobjekt. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Reduktion von Graphenoxid. Dessen Reduktion führt zu reduziertem Graphenoxid, welches eine graphenartige Struktur aufweist. Daher wird es als Vorstufe für viele Anwendungen, die eine kostengünstige und einfach durchzuführende Synthese von Graphen erfordern, vorgeschlagen. Die höhere Anzahl an Defekten schließt es von einigen Anwendungen aus, welche für Graphen vorgeschlagen wurden. Aber auch andere Gebiete werden dadurch erschlossen. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze gezeigt: der einstufige und der zweistufige Ansatz. Im einstufigen Ansatz erfolgt die Beschichtung und Reduktion von Graphenoxid gleichzeitig direkt aus der Graphenoxid-Suspension. Eine Elektrochemische Quarz-Mikrowaage wurde verwendet, um massensensitive Messungen während der elektrochemischen Abscheidung durchzuführen. Als Arbeitselektroden dienten platinbeschichtete Quarze. Die kathodische und anodische Polarisation führte zu einer Abscheidung durch unterschiedliche Mechanismen, einerseits die elektrochemische Reduktion und andererseits die spezifische Adsorption. Der zweistufige Ansatz trennt den Beschichtungs- und den Reduktionsschritt. Ein reproduzierbares Beschichtungsverfahren wurde entwickelt. Graphenoxidschichten wurden mittels Spin-Coating abgeschieden. Rillen bis zum Substrat Graphenoxid ist ein zweidimensionales Material, bestehend aus sp2-hybridisiertem Kohlenstoff, sp3-hybridisiertem kohlenstoff und einer gewissen Menge sauerstofffunktioneller Gruppen. Es kann aus der Exfoliation von Graphitoxid gewonnen werden. Aufgrund der nicht-planaren Struktur, die zu einem größeren Abstand zwischen den Schichten in Graphitoxid führt, sind die Anziehungskräfte zwischen diesen schwächer im Vergleich zu Graphit. Darüber hinaus bewirken die sauerstoffhaltigen Gruppen Hydrophilie und somit Löslichkeit in Wasser. Diese und andere Eigenschaften machen Graphenoxid zu einem interessanten Studienobjekt. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Reduktion von Graphenoxid. Dessen Reduktion führt zu reduziertem Graphenoxid, welches eine graphenartige Struktur aufweist. Daher wird es als Vorstufe für viele Anwendungen, die eine kostengünstige und einfach durchzuführende Synthese von Graphen erfordern, vorgeschlagen. Die höhere Anzahl an Defekten schließt es von einigen Anwendungen aus, welche für Graphen vorgeschlagen wurden. Aber auch andere Gebiete werden dadurch erschlossen. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze gezeigt: der einstufige und der zweistufige Ansatz. Im einstufigen Ansatz erfolgt die Beschichtung und Reduktion von Graphenoxid gleichzeitig direkt aus der Graphenoxid-Suspension. Eine Elektrochemische Quarz-Mikrowaage wurde verwendet, um massensensitive Messungen während der elektrochemischen Abscheidung durchzuführen. Als Arbeitselektroden dienten platinbeschichtete Quarze. Die kathodische und anodische Polarisation führte zu einer Abscheidung durch unterschiedliche Mechanismen, einerseits die elektrochemische Reduktion und andererseits die spezifische Adsorption. Der zweistufige Ansatz trennt den Beschichtungs- und den Reduktionsschritt. Ein reproduzierbares Beschichtungsverfahren wurde entwickelt. Graphenoxidschichten wurden mittels Spin-Coating abgeschieden. Rillen bis zum Substrat wurden mittels fs-Laser-Behandlung abgetragen, um die Schichtdicken mit einem Rasterkraftmikroskop zu bestimmen. Darüber hinaus ist die fs-Laser-unterstützte Reduktion von Graphenoxidschichten als Alternative zum elektrochemischen Ansatz demonstriert worden. Das daraus resultierende reduzierte Graphenoxid wurde durch Raman-Spektroskopie und elektrochemische Rastermikroskopie charakterisiert. Schließlich diente ein elektrochemisches Rastermikroskop dazu, Graphenoxidschichten zu reduzieren. Eine Mikroelektrode wurde auf einer Graphenoxidschicht positioniert. Eine kathodische Polarisation löste das laterale Wachstum einer reduzierten Graphenoxidscheibe aus. Die Charakterisierung wurde durch Raman-Spektroskopie und optische Mikroskopie durchgeführt. Der Mechanismus der elektrochemischen Reduktion wurde mit Hilfe der in-situ ATR-FTIR-Spektroskopie untersucht. Zur Auswertung der Spektren wurde eine multivariate Methode angewandt. Es konnte gezeigt werden, dass die Reduktion in zwei Schritten erfolgt. Zuerst wird Graphenoxid zu alpha-reduziertem Graphenoxid reduziert. In einem zweiten Schritt wird es zu beta-reduziertem Graphenoxid reduziert.

Abstract

(Englisch)

Graphene Oxide is a two-dimensional material, consisting of sp2-hybridized carbon, sp3-hybridized carbon, and a certain amount of oxygen-containing groups. It can be obtained from graphite oxide by exfoliation. Due to the non-planar structure, which results in a higher spacing between the sheets in graphite oxide, the attractive forces between the sheets are weaker as compared to graphite. Furthermore, the oxygen-containing groups cause hydrophilicity and solubility in water. This and other properties make graphene oxide an interesting object of study. This work investigated the reduction of graphene oxide. Its reduction leads to reduced graphene oxide which exhibits a graphene-like structure. Therefore, it is proposed as a precursor material for many applications, which require a low-cost and easy to perform synthesis of graphene. The higher amount of defects excludes it from some applications, which were proposed for graphene, but also opens other fields. Two approaches are shown in this work: the one-step-approach and the two-step-approach. In the one-step-approach, the coating and reduction of graphene oxide occur concurrently directly out of the graphene oxide suspension. An electrochemical quartz crystal microbalance was utilized to perform mass-sensitive measurements during the electrochemical deposition of graphene oxide. Platinum coated quartzes served as working electrodes. Cathodic and anodic polarization resulted in the deposition by dissimilar mechanisms, which are electrochemical reduction and specific adsorption, respectively. The two-step approach separates the coating and the reduction step. A reproducible coating procedure was developed. Graphene oxide coatings were deposited by spin-coating. Grooves down to the substrate were ablated by fs-laser treatment in order to determine the coating thicknesses by a scanning force microscope. Moreover, the fs-laser-assisted reduction of graphene oxide coatings as an alternative to the electrochemical approach was demonstrated. The resulting reduced graphene oxide was characterized by Raman-spectroscopy and scanning electrochemical microscopy. Finally, a scanning electrochemical microscope served to reduce graphene oxide coatings. A microelectrode was positioned on a graphene oxide coating. A cathodic polarization triggered the lateral growth of a reduced graphene oxide disk. The characterization was performed by Raman-spectroscopy and optical microscopy. The mechanism of the electrochemical reduction was investigated by in-situ attenuated total reflection FTIR spectroscopy. A multivariate method was applied for evaluating the spectra. It could be shown that the reduction occurs in two steps. At first graphene oxide is reduced to alpha-reduced graphene oxide. In a second step, it is reduced to beta-reduced graphene oxide.

Autor*innen

Martin Pfaffeneder-Kmen

Haupttitel (Englisch)

Graphene coating generation by the electrochemical and femtosecond laser-assisted reduction of graphene oxide

Paralleltitel (Deutsch)

Die Erzeugung von Graphenbeschichtung durch die Elektrochemische und Femtosekunden-Laser-Pulse unterstützte Reduktion von Graphenoxid

Publikationsjahr

2018

Umfangsangabe

xviii, 105, 7 ungezählte Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Peter Lieberzeit ,

Günther Rupprechter

Klassifikationen

35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines ,

35 Chemie > 35.14 Elektrochemie ,

35 Chemie > 35.16 Photochemie

AC Nummer

AC15041335

Utheses ID

45999

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 419 |

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Schlagwörter