Быстрое получение аморфного Al2O3 на поверхности графена с помощью технологии плазменного электролиза

В данном исследовании для синтеза покрытия на графене была использована технология плазменного электролиза. Это новая технология, которая вводит рабочую область в область высоковольтного разряда и реализует быстрое и эффективное осаждение покрытий на поверхности материалов. Метод сочетает в себе преимущества плазмохимии, термохимии и электрохимии. Был оптимизирован плазменный электролиз и успешно применен для модификации поверхности графена без повреждения подложки. Кроме того, успешно изучен механизм роста в данном эксперименте, заложив основу для дальнейшего изучения покрытия плазменно-электролитическим осаждением. По этой технологии было синтезировано аморфное покрытие γ-Al2O3 с хорошим сочетанием. Считается, что это расширит сферу применения графена и низкоразмерных материалов. [1, c. 193].

Многослойный графен был получен методом механического пилинга. Для модификации в исследовании использовали Al(NO3)3 (аналитически чистый). Кольцеобразный графитовый электрод (анод) был размещен рядом с внутренней стенкой ПВХ-контейнера, а медный электрод (катод) - в середине контейнера. Высокочастотный импульсный источник питания постоянного тока был использован для генерации плазменной дуги. 

Al(NO3)3 (100-300 г/л) растворяли в 10 л деионизированной воды. Затем графен (5 г/л) диспергировали в растворе с помощью ультразвуковой дисперсионной обработки. Ультразвук использовался для того, чтобы графен полностью диспергировался в растворе. Скорость вращения мешалки была отрегулирована до 30 об/мин, так как плазма была стабильной, о чем свидетельствовал непрерывный звук, создаваемый плазменным разрядом. Питание выключалось через 10 с. Наконец, порошок из раствора отделялся с помощью непрерывной ленточной вакуумной сушилки, и синтезировался порошок с покрытием. 

Поверхность графена до обработки была гладкой и ровной с четкими границами. Когда мы увеличили масштаб и рассмотрели эти области, то обнаружили на поверхности слой за слоем. Казалось, что что-то покрывает слой за слоем поверхность графена.

Было сделано предположение, что одиночный графен может действовать как косвенный катод. В ходе процесса реакции и плазменно-дуговой разряд будут происходить на реальном катоде и на косвенном катоде, что благоприятно для осаждения покрытия. Плазма вблизи катода оказывала спекающее действие на покрытие, что привело к плотной структуре покрытия Al2O3. Это было причиной того, что Al4C3 не вступал в бурную реакцию с водой и существовал в покрытии. Что касается одиночного графена, то считалось, что некоторые атомы углерода будут преобразованы в C4 - из-за активированной поверхности плазмой и будут свободно находиться на поверхности. Большое количество Al3+ в растворе достигнет поверхности графена первым и вступит в реакцию с C4- непосредственно с образованием Al4C3 при таких высоких температурах. Между тем, новый Al4C3 может быть преобразован в Al2OC из-за высокотемпературного окисления. Таким образом, в покрытии было обнаружено небольшое количество Al2OC и Al4C3. Они могли бы действовать как промежуточная фаза, делая связь между покрытием и графеном более прочной. Однако большее количество Al3+ подверглось бы реакции гидролиза и превратилось бы в Al(OH)3; затем под воздействием плазменной дуги произошла бы реакция дегидратации последнего с осаждением Al2O3 на поверхности графена. Из-за короткого времени обработки γ-Al2O3 не успевал превратиться в θ-Al2O3 или α-Al2O3, поэтому основным составом покрытия был γ-Al2O3. [2, c. 31].

Аморфное покрытие Al2O3 было синтезировано в данном исследовании методом плазменного электролиза. Покрытие размером ∼7 нм демонстрировало хорошее сочетание между покрытием и графеном с помощью атомно-слоевого осаждения. γ-Al2O3, Al2OC и Al4C3 составляли компоненты покрытия, причем Al2OC и Al4C3 выступали в качестве переходной фазы от графена к γ-Al2O3. Считается, что эта технология найдет широкое применение в модификации поверхности графена и будет полезна для развития применения графена.