Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών δημητρίας - οξειδίου του γραφενίου

Κόνιαρης, Αλέξανδρος; Koniaris, Alexandros

dc.contributor.author	Κόνιαρης, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Koniaris, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2018-08-30T10:54:22Z
dc.date.issued	2018-08-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47469
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15703
dc.rights	Default License
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Δημητρία	el
dc.subject	Οξείδιο του γραφενίου	el
dc.subject	Νανοϋβριδικά υλικά	el
dc.subject	Οξείδιο του δημητρίου	el
dc.subject	Graphene oxide	en
dc.subject	Cerium oxide	el
dc.subject	Hybrid materials	el
dc.subject	GO-COOH	el
dc.subject	GO/CeO2	el
dc.title	Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών δημητρίας - οξειδίου του γραφενίου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Νανοϋλικά	el
heal.classification	Ανόργανη Χημεία	el
heal.dateAvailable	2019-08-29T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-14
heal.abstract	Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των δομών και των ιδιοτήτων νανοϋβριδικών υλικών δημητρίας – οξειδίου του γραφενίου. Στη συνέχεια έγινε προσπάθεια παρασκευής τροποποιημένου οξειδίου του γραφενίου και σύγκριση των ιδιοτήτων τους. Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα η οποία αποτελείται από ένα επίπεδο στρώμα sp2 ατόμων άνθρακα, το οποίο είναι πάχους ενός ατόμου και τα άτομα άνθρακα πάνω σε αυτό είναι πυκνά διατεταγμένα σε δισδιάστατο κυψελλοειδές πλέγμα. Πρόκειται για ένα υλικό με εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια και πολύ καλές ηλεκτρικές, μηχανικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες. Για τον λόγο αυτό βρίσκει εφαρμογή σε ένα πλήθος εφαρμογών, όπως στο πεδίο της βιοϊατρικής και σε καινούριες τεχνολογίες τρανζίστορ. Το γραφένιο μπορεί να παρασκευαστεί με διαφορετικές μεθόδους, με πιο σημαντική την σύνθεσή του μέσω του οξειδίου του γραφενίου. Το οξείδιο του γραφενίου έχει παρόμοια δομή με αυτή του γραφενίου και διαφέρει με αυτό στο γεγονός ότι περιέχει μια σειρά δραστικών χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου συνδεδεμένων με το εξαγωνικό του πλέγμα. Διατηρεί την δισδιάστατη δομή του γραφενίου και τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι η χημική του δραστικότητα και η υδροφιλικότητά του, η οποία του προσδίδει καλή διασπορά στο νερό. Λόγω των χαρακτηριστικών ομάδων που βρίσκονται στο οξείδιο του γραφενίου, είναι δυνατή η τροποποίησή του με σκοπό την επίτευξη συγκεκριμένων τελικών ιδιοτήτων και χαρακτηριστικών. Έτσι, το οξείδιο του γραφενίου αποτελεί την κύρια επιλογή γραφενικού υλικού για την παρασκευή νανοϋβριδικών που βασίζονται στο γραφενίο. Ο κύριος τρόπος παρασκευής οξειδίου του γραφενίου από γραφίτη είναι μέσω της μεθόδου Hummers. Σε τελευταίες μελέτες έχει ανακαλυφθεί ότι ο οξείδιο του γραφενίου μπορεί να ενισχυθεί ως προς την δυνατότητα απορρόφησης περισσότερων νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του, και έτσι την βελτίωση των τελικών ιδιοτήτων του νανοϋνριδικού υλικού. Για τον σκοπό αυτό εισάγονται στην δομή του GO υδρόφιλες λειτουργικές ομάδες καρβοξυλίου. Αυξάνοντας έτσι την υδροφιλικότητα είναι δυνατή η χρήση του λεγόμενου GO-COOH σε ένα νέο πλήθος εφαρμογών, όπως η μεταφορά φαρμάκων λόγω της αυξημένη βιοσυμβατότητάς του. Οι επιπλέον λειτουργικές ομάδες οξυγόνου στην επιφάνεια δρουν ως κέντρα ανάπτυξης νανοσωματιδίων, όπως στην περίπτωσή μας των νανοσωματιδίων CeO2. Το δημήτριο είναι βρίσκεται στην σειρά των λανθανίδων στον περιοδικό πίνακα. Είναι πολύ δραστικό και ένας ισχυρός παράγοντας οξείδωσης. Το οξείδιο του δημητρίου (CeO2) είναι το πιο σταθερό οξείδιό του και ονομάζεται επίσης δημητρία. Χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους κλάδους της βιομηχανίας, και ιδιαίτερα ως καταλύτης. Η δομή της δημητρίας είναι τετραεδρική μα κάθε ιόν οξυγόνου να περιβάλλεται από τέσσερα ιόντα δημητρίου. Έχει καλές οπτικές, καταλυτικές και φυσικοχημικές ιδιότητες και για τον λόγο αυτό γίνεται παγκοσμίως μεγάλη έρευνα για την περαιτέρω χρήση του σε άλλους βιομηχανικούς τομείς. Τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει μεγάλο ενδιαφέρον για την ενίσχυση των ιδιοτήτων του οξειδίου του γραφενίου. Διάφορα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί για τον σκοπό αυτό. Τελευταίες έρευνες έχουν αποδείξει τις καλές ιδιότητες νανοϋβριδικού υλικού οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας. Κύριος λόγος είναι ο καλός συνδυασμός των ιδιοτήτων τους και το γεγονός ότι είναι απαραίτητη η σύνδεση του οξειδίου του δημητρίου με υλικά που έχουν ως βάση τους τον άνθρακα, λόγω της υψηλής ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας, ώστε να μπορέσει να γίνει πλήρης αξιοποίηση των καλών οξειδοαναγωγικών ιδιοτήτων του CeO2. Τα νανοσύνθετα αυτά έχουν αποδείξει να έχουν καλές ιδιότητες σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μερικές από αυτές είναι η χρήση του νανοϋνριδικού υλικού ως υλικό υπερπυκνωτών λόγω της πολύ υψηλής ειδικής χωρητικότητάς του και ως βοηθητικό υλικό σε εφαρμογές κατάλυσης λόγω της μεγάλης ανθεκτικότητάς του. Για το λόγο αυτό ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση εύκολου και αποτελεσματικού τρόπου σύνθεσης νανοσύνθετων οξειδίου του γραφενίου – οξειδίου του δημητρίου υπό τις βέλτιστες συνθήκες και στη συνέχεια η ανάλυση του τελικού προϊόντος. Στο εργαστήριο έγινε σύνθεση του οξειδίου του γραφενίου μέσω οξείδωσης του γραφίτη με την τροποποιημένη μέθοδο Hummers. Αυτή η μέθοδος διαρκεί αρκετές μέρες και επαναλήφθηκε αρκετές φορές για σύνθεση αρκετής ποσότητας GO για όλα τα πειράματα που ακολούθησαν. Η σύνθεση των νανοϋβριδικών υλικών οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας έγινε in situ με τη μέθοδο της ηλεκτροστατικής αυτοσυναρμολόγησης πάνω στα νανοφύλλα του GO. Το νανοϋβριδικό υλικό παράχθηκε με τρεις διαφορετικές μεθόδους, τη μέθοδο απλής ανάμειξης, την διαλυτοθερμική κατεργασία με χρήση αυτοκλείστου και τη μέθοδο με εφαρμογή μικροκυματικής ακτινοβολίας. Στις τελευταίες δύο μεθόδους το oξείδιο του γραφενίου ενεργοποιήθηκε πρώτα με τις επιφανειοδραστικές ουσίες CTAB και PSS και στη συνέχεια διασπάρθηκε σε αιθυλενογλυκόλη, ενώ στην υδροθερμική μέθοδο χρησιμοποιείται μόνο το CTAB. Στα διαλύματα που προκύπτουν προστέθηκε άλας δημητρίας Ce(NO3)3*6H2O και το τελικό διάλυμα μεταφέρθηκε, ανάλογα με τη μέθοδο, σε λουτρό, αυτόκλειστο αντιδραστήρα ή σε ειδικό αντιδραστήρα μικροκυματικής ακτινοβολίας προς σχηματισμό ιόντων Ce3+ και μετατροπή αυτών στη συνέχει σε σωματίδια CeO2 πάνω στην επιφάνεια του GO. Απαραίτητη είναι η ύπαρξη υψηλής θερμοκρασίας. Οι ίδιες διαδικασίες ακολουθήθηκαν και για την παρασκευή νανοσύνθετων GO-COOH/CeO2, χρησιμοποιώντας το τροποποιημένο οξείδιο του γραφενίου. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν η ποσότητα άλατος δημητρίας που προστέθηκε σε κάθε δείγμα, καθώς και οι συνθήκες αντιδράσεως και επεξεργασίας των διαλυμάτων, όπως η θερμοκρασία. Έγινε προσπάθεια εύρεσης της πιο αποτελεσματικής διαδικασία σύνθεσης νανοσύνθετων οξειδίου του γραφενίου – δημητρίας. Τα προϊόντα που προέκυψαν από τα συνολικά 14 πειράματα σύνθεσης του νανοϋνριδικού υλικού και τα 9 πειράματα παρασκευής και τροποποίησης οξειδίου του γραφενίου χαρακτηρίστηκαν με διάφορες ενόργανες χημικές μεθόδους ανάλυσης. Η Περίθλαση Ακτίνων X (XRD), η Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), η Θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA), η Φασματοσκοπία σκέδασης micro Raman (micro Raman Spectroscopy) και το Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου (FESEM) εφαρμόστηκαν για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων. Έγινε προσπάθεια πιστοποίησης επιτυχούς ενσωμάτωσης νανοσωματιδίων οξειδίου του δημητρίου πάνω στα νανοφύλλα του GO και του GO-COOH και παροχή πληροφοριών σχετικά με την δομή, τη μορφολογία, το μέγεθος και την κατανομή των νανοσωματιδίων αυτών. Τέλος, έγινε ανάλυση της σταθερότητας και της δομής των τελικών προϊόντων συνολικά, σε σχέση με της συνθήκες σύνθεσης των επιμέρους δειγμάτων.	el
heal.abstract	The aim of this diploma thesis is to synthesize, characterize and study the structures and properties of hybrid materials consisting of graphene oxide (GO) and ceria (CeO2). There was also made an attempt to prepare modified graphene oxide and compare their properties. Graphene is an allotropic form of carbon, consisting of a flat layer of sp2 carbon atoms which are densely arranged in a two-dimensional (2D) mesh. It is a material with an extremely large surface area and good mechanical, electrical, optical and thermal properties. Therefore it applies to a variety of applications, such as in the biomedical field. A notable method to prepare graphene is via graphene oxide. Graphene oxide has a similar structure to that of graphene. It differs in that it contains various oxygen functional groups linked to the existing hexagonal lattice. Graphene oxide maintains the good properties of graphene and is in addition to that chemically active and hydrophilic. Due to the functional groups found in graphene oxide, it is possible to modify it in order to achieve desired final properties and characteristics. Thus, it is the main of when it comes to prepare graphene-based hybrids. It has been discovered that the properties of graphene oxide can be altered. For this purpose, hydrophilic functional groups, carboxyl groups, are introduced into the structure of GO. The so-called GO-COOH can therefore absorb more nanoparticles on its surface and thus improve the final properties of the nanocomposite. Increasing hydrophilicity and biocompatibility of the hybrid material can lead to the use of it in a new range of applications, such as drug delivery technologies. As in our case, the additional oxygen-containing fuctional groups on the surface act as nanoparticle binding centers for CeO2 nanoparticles. Cerium (Ce) is a lanthanide which is a powerful oxidizing agent. Cerium oxide or ceria (CeO2) is its most chemically stable oxide and it is widely used in various branches of industry. Worldwide research is being done to extend its use because of its good optical, catalytic and physicochemical properties. In recent years, many ways of enhancing the properties of graphene oxide have been followed. Last reports say that combining ceria with graphene oxide can lead to a hybrid material which combines their properties. These nanocomposites have proven to can be used in a wide range of advanced applications, like as a superconductor material due to its high specific electrical capacitance or in catalytic applications due to its high durability. The main aim of this thesis is to find an easy and efficient way to produce a hybrid material of graphene oxide and ceria under optimal conditions. Graphene oxide was synthesized by oxidation of graphite using the modified Hummers method. The incorporation of nanoparticles was accomplished by the method of the electrostatic self-assembly onto GO. The nanocomposite was synthesized using three different methods, the method of simple mixing, the autoclave method and the microwave irradiation method. Graphene oxide was functionalized by the surfactant CTAB, in the two last methods using also PSS, and then dispersed in ethylene glycol. Cerium (III) nitrate hexahydrate [Ce(NO3)3*6H2O] was added in the resulting solution to form Ce3+ ions on the surface of graphene oxide and then convert them under high temperature conditions to CeO2 particles. Same procedures were followed for the preparation of nanocomposites GO-COOH/CeO2, using the modified graphene oxide. The main parameters examined were the amount of cerium nitrate hexahydrate added to each sample, as well as the reaction and processing conditions under which the solutions were produced, such as the temperature. The products obtained from the experiments were characterized by various instrumental chemical analysis methods. X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), Raman Spectroscopy and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) were performed to certify the successful incorporation of cerium oxide onto the GO and GO-COOH structure. Information on the structure, morphology, size and distribution of these nanoparticles was also attained. Finally, an analysis of the stability and structure of the GO/CeO2 and GO-COOH/CeO2 composites was performed and the results were related to the conditions of the composition of each sample.	en
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I). Εργαστήριο Ανόργανης και Αναλυτικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	156 σ.
heal.fullTextAvailability	true