PL233346B1

PL233346B1 - The method of producing the graphene / NiFe2O4 nanocomposite

Info

Publication number: PL233346B1
Application number: PL423318A
Authority: PL
Inventors: Anna Jędrzejewska; Daniel Sibera; Roman Jędrzejewski
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie; Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-09-30
Also published as: PL423318A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nanokompozytu grafen/NiFe2O4. Materiałem wyjściowym jest mieszanina tlenku grafenu w roztworze etanolu, azotanu żelaza, azotanu niklu i wody amoniakalnej. Nanokompozyty mogą być wykorzystane w przemyśle elektronicznym.The subject of the invention is a method of producing a graphene / NiFe2O4 nanocomposite. The starting material is a mixture of graphene oxide in ethanol solution, iron nitrate, nickel nitrate and ammonia water. Nanocomposites can be used in the electronics industry.

W literaturze opisano kilka metod otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4. Procesy te prowadzi się wieloetapowo. W pierwszym etapie zawiesinę tlenku grafenu w wodzie, etanolu lub acetonie poddaje się procesowi sonifikacji. Następnie do takiej mieszaniny dodaje się sól żelaza (azotan, chlorek lub octan) i sól niklu (azotan, chlorek lub inne). W kolejnym etapie do mieszaniny dodaje wodorotlenek sodu, wodorotlenek potasu lub wodę amoniakalną w celu podniesienia pH roztworu i wytrącenia wodorotlenku żelaza i wodorotlenku niklu. Końcowym etapem preparatyki jest umieszczenie mieszaniny w autoklawie lub innym urządzeniu ciśnieniowym i przeprowadzenie procesu ciśnieniowego w czasie od 8-24 h. Często po obróbce w autoklawie materiał jest wygrzewany w piecu przy różnych temperaturach w atmosferze gazu obojętnego (azot, argon).Several methods of obtaining graphene / NiFe2O4 nanocomposites have been described in the literature. These processes are carried out in several stages. In the first stage, the graphene oxide suspension in water, ethanol or acetone is sonicated. The iron salt (nitrate, chloride, or acetate) and the nickel salt (nitrate, chloride, or the like) are then added to the mixture. In the next step, sodium hydroxide, potassium hydroxide or ammonia water is added to the mixture to raise the pH of the solution and precipitate iron hydroxide and nickel hydroxide. The final stage of preparation is placing the mixture in an autoclave or other pressure device and carrying out the pressure process for 8-24 hours. Often, after autoclaving, the material is heated in an oven at various temperatures under an inert gas atmosphere (nitrogen, argon).

W publikacji Md. Elias Uddin, Nam Hoon Kim, Tapas Kuila, Seung Hee Lee, David Hui, Joong Hee Lee, Preparation of reduced graphene oxide-NiFe2O4 nanocomposites for the electrocatalytic oxidation of hydrazine, Composites Part B 79 (2015) 649-659 przedstawiono metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 poprzez wymieszanie sonifikowanego w wodzie tlenku grafenu z chlorkiem żelaza i chlorkiem niklu. Do tak przygotowanej mieszaniny dodawano tiosiarczan sodu. Do wytrącenia wodorotlenków wykorzystano NaOH. Następnie gotową zawiesinę umieszczono w autoklawie gdzie prowadzono proces w temperaturze 150°C przez 20 godzin. W końcowym etapie materiał przepłukano i odsączono. Otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4 potwierdzono badaniami XRD, FT-IR, SEM, TEM, TGA.In the publication of Md. Elias Uddin, Nam Hoon Kim, Tapas Kuila, Seung Hee Lee, David Hui, Joong Hee Lee, Preparation of reduced graphene oxide-NiFe2O4 nanocomposites for the electrocatalytic oxidation of hydrazine, Composites Part B 79 (2015) 649-659 presents the method of obtaining nanocomposites Graphene / NiFe2O4 by mixing graphene oxide sonicated in water with iron chloride and nickel chloride. Sodium thiosulfate was added to the mixture thus prepared. NaOH was used to precipitate the hydroxides. Then, the finished suspension was placed in an autoclave where the process was carried out at a temperature of 150 ° C for 20 hours. In the final stage, the material was rinsed and filtered. The preparation of graphene / NiFe2O4 nanocomposites was confirmed by XRD, FT-IR, SEM, TEM and TGA tests.

W pracy Fengmin Wu, Xiaowei Wang, Mei Li, HangXu „A high capacity NiFe2O4/RGO nanocomposites as superior anode materials for sodium-ion batteries” Ceramics International 42 (2016) 1666616670 opisana jest również metoda otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 z chlorków z wykorzystaniem autoklawu. W tym przypadku jako substancję wytrącającą wodorotlenki zastosowano wodny roztwór amoniaku. Po wytrąceniu odpowiednich wodorotlenków mieszaninę wraz z tlenkiem grafenu przeniesiono do autoklawu gdzie prowadzono proces w temperaturze 150°C przez 12 h. Po procesie w autoklawie produkt przepłukano wodą destylowaną i przesączono. Na podstawie wyników otrzymanych z analizy XRD, SEM potwierdzono otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4.The work of Fengmin Wu, Xiaowei Wang, Mei Li, HangXu "A high capacity NiFe2O4 / RGO nanocomposites as superior anode materials for sodium-ion batteries" Ceramics International 42 (2016) 1666616670 also describes the method of obtaining graphene / NiFe2O4 nanocomposites from chlorides using autoclave. In this case, an aqueous ammonia solution was used as the precipitant of hydroxides. After precipitation of the appropriate hydroxides, the mixture with graphene oxide was transferred to an autoclave where the process was carried out at the temperature of 150 ° C for 12 hours. After the autoclave process, the product was rinsed with distilled water and filtered. Based on the results obtained from the XRD and SEM analysis, the preparation of graphene / NiFe2O4 nanocomposites was confirmed.

Podobną metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 przedstawili Pengxi Li, Ruguang Ma, Yao Zhou, Yongfang Chen, Zhenzhen Zhou, Guanghui Liu, Qian Liu, Guihua Peng and Jiacheng Wang, w pracy „Solvothermally synthesized graphene nanosheets supporting spinel NiFe2O4 nanoparticles as an efficient electrocatalyst for the oxygen reduction reaction” RSC Adv., 2015, 5, 44476-44482. Jako środowisko reakcji zastosowali wodę. Natomiast do uzyskania spinelu NiFe2O4 użyli azotanów niklu i żelaza. Materiały otrzymywano w autoklawie w temperaturze 180°C przez 12 h, a w końcowym etapie wygrzano w temperaturze 500°C w atmosferze argonu. Skuteczność metody potwierdzono stosując następujące metody badawcze XRD, TG, Raman i TEM.A similar method for the preparation of graphene / NiFe2O4 nanocomposites was presented by Pengxi Li, Ruguang Ma, Yao Zhou, Yongfang Chen, Zhenzhen Zhou, Guanghui Liu, Qian Liu, Guihua Peng and Jiacheng Wang, in the paper "Solvothermally synthesized graphene electrotic nanosheets2 as efficient4 spinel nanofarte2 supporting for the oxygen reduction reaction ”RSC Adv., 2015, 5, 44476-44482. They used water as the reaction medium. However, to obtain the NiFe2O4 spinel, they used nickel and iron nitrates. The materials were prepared in an autoclave at a temperature of 180 ° C for 12 h, and finally annealed at a temperature of 500 ° C under an argon atmosphere. The effectiveness of the method was confirmed using the following test methods: XRD, TG, Raman and TEM.

Z literatury znana jest praca Xuefang Chen „Self-assembled flower-like NiFe2O4 decorated on 2D grapheme nanosheets composite and their excellent electrochemical performance as anode materials for LIBs”, Journal of Alloys and Compounds 686 (2016) 905-913, w której został opisany sposób otrzymywania nanokompozytu grafen/NiFe2O4 w środowisku izopropanolu. W pracy przedstawiono metodę, w której do tlenku grafenu w izopropanolu dodano azotan żelaza i octan niklu. Następnie otrzymaną mieszaninę umieszczono w autoklawie i prowadzono proces w temperaturze 180°C przez 12 h. Otrzymany materiał wygrzano 550°C przez 3 h w atmosferze argonu. Otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4 potwierdzono metodą XRD, SEM, TEM.The work of Xuefang Chen "Self-assembled flower-like NiFe2O4 decorated on 2D grapheme nanosheets composite and their excellent electrochemical performance as anode materials for LIBs", Journal of Alloys and Compounds 686 (2016) 905-913, in which method of obtaining graphene / NiFe2O4 nanocomposite in isopropanol environment. The paper presents a method in which iron nitrate and nickel acetate were added to graphene oxide in isopropanol. The resulting mixture was then placed in an autoclave and carried out at 180 ° C for 12 hours. The obtained material was heated at 550 ° C for 3 hours under argon. The preparation of graphene / NiFe2O4 nanocomposites was confirmed by the XRD, SEM, TEM method.

Abbas Afkhami i inni w pracy „Preparation of NiFe2O4/graphene nanocomposite and its application as a modifier for the fabrication of an electrochemical sensor for the simultaneous determination of tramadol and acetaminophen”, Analytica Chimica Acta 831 (2014) 50-59, oraz Elham Kamali Heidari i inni w pracy „NiFe2O4/graphene nanocomposites with tunable magnetic properties”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 379 (2015) 95-101 opisali metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiF2O4 z wykorzystaniem azotanów niklu i żelaza oraz wody amoniakalnej jako substancji ponoszącej pH roztworów. W obu pracach wykorzystano autoklaw do otrzymania gotowych nanokompozytów. Proces w autoklawie prowadzono 24 h lub 20 h w temperaturze 180°C. Otrzymany materiał płukanoAbbas Afkhami et al. In the work "Preparation of NiFe2O4 / graphene nanocomposite and its application as a modifier for the fabrication of an electrochemical sensor for the simultaneous determination of tramadol and acetaminophen", Analytica Chimica Acta 831 (2014) 50-59, and Elham Kamali Heidari et al. In the work "NiFe2O4 / graphene nanocomposites with tunable magnetic properties", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 379 (2015) 95-101 described a method of obtaining graphene / NiF2O4 nanocomposites using nickel and iron nitrates and ammonia water as a substance that raises the pH of solutions . In both works, an autoclave was used to obtain ready-made nanocomposites. The autoclave process was carried out for 24 hours or 20 hours at the temperature of 180 ° C. The resulting material was washed

PL 233 346 B1 i suszono w temperaturze 50°C lub 60°C. W wyniku przeprowadzonych analiz XRD i TEM potwierdzono otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4.The mixture was dried at 50 ° C or 60 ° C. As a result of the XRD and TEM analyzes, obtaining graphene / NiFe2O4 nanocomposites was confirmed.

Sposób otrzymywania kompozytu grafen/NiFe2O4 polegający na przygotowaniu mieszaniny tlenku grafenu, azotanu żelaza III, azotanu niklu, wody amoniakalnej, etanolu i poddaniu jej obróbce ciśnieniowej, charakteryzuje się tym, że mieszaninę poddaje się obróbce ciśnieniowej w solwotermalnym reaktorze mikrofalowym, przez czas od 5 do 45 minut przy ciśnieniu od 4 do 6 MPa, następnie otrzymany materiał płucze się wodą destylowaną i suszy.The method of obtaining the graphene / NiFe2O4 composite consisting in the preparation of a mixture of graphene oxide, iron III nitrate, nickel nitrate, ammonia water, ethanol and subjecting it to pressure treatment, is characterized by the fact that the mixture is subjected to pressure treatment in a solvothermal microwave reactor for a period of 5 to 45 minutes at a pressure of 4 to 6 MPa, then the obtained material is washed with distilled water and dried.

Zastosowanie solwotermalnego reaktora mikrofalowego do obróbki ciśnieniowej, zamiast autoklawu, pozwala na znaczące skrócenie czasu procesu od 5-45 minut w porównaniu z autoklawem gdzie procesy trwają od kilku do kilkunastu godzin. W wyniku przeprowadzonych syntez otrzymano materiały kompozytowe grafen/NiFe2O4. Sposobem według wynalazku można otrzymać materiał o różnej zawartości masowej NiFe2O4, a co za tym idzie o różnych właściwościach elektrycznych i magnetycznych.The use of a solvothermal microwave reactor for pressure treatment, instead of an autoclave, allows for a significant reduction in the process time from 5-45 minutes compared to an autoclave where processes last from several to several hours. As a result of the performed syntheses, composite materials were obtained: graphene / NiFe2O4. By the method according to the invention, it is possible to obtain a material with a different mass content of NiFe2O4, and thus with different electrical and magnetic properties.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładach wykonania i na zdjęciach TEM przedstawiających struktury kompozytowe grafen/NiFe2O4. Fig. 1 przedstawia strukturę grafen/NiFe2O4 (5% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 2 strukturę grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 3 strukturę grafen/NiFe2O4 (5% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 5 MPa w etanolu, fig. 4 strukturę grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 6 MPa w etanolu, fig. 5 grafen/NiFe2O4 (25% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 6, grafen/NiFe2O4 (25% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 5 MPa w etanolu, fig. 7 grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 6 MPa w etanolu.The subject of the invention is explained in more detail in the working examples and in TEM photos showing composite structures of graphene / NiFe2O4. Fig. 1 shows the graphene / NiFe2O4 (5 wt.%) Structure obtained at a pressure of 4 MPa in ethanol, Fig. 2 the graphene / NiFe2O4 (50 wt.%) Structure obtained at a pressure of 4 MPa in ethanol, Fig. 3 the graphene / NiFe2O4 structure (5 wt.%) Obtained at the pressure of 5 MPa in ethanol, Fig. 4 the structure of graphene / NiFe2O4 (50 wt.%) Obtained at the pressure of 6 MPa in ethanol, Fig. 5 graphene / NiFe2O4 (25 wt.%) Obtained at the pressure 4 MPa in ethanol, Fig. 6, graphene / NiFe2O4 (25 wt%) obtained at a pressure of 5 MPa in ethanol, Fig. 7 graphene / NiFe2O4 (50 wt%) obtained at a pressure of 6 MPa in ethanol.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sonifikuje się 0,5 g tlenku grafenu w 50 ml etanolu, następnie dodaje się do roztworu 0,063 g azotanu żelaza III i 0,048 azotanu niklu (5% mas. NiFe2O4). Następnie do mieszaniny dodaje się 25% wodny roztwór amoniaku w celu podniesienia pH do 12. Po wytrąceniu się w roztworze wodorotlenku żelaza III i wodorotlenku niklu mieszaninę umieszcza się w reaktorze mikrofalowym i przeprowadza syntezę w czasie 5 minut przy ciśnieniu 4 MPa. Następnie otrzymany materiał przepłukano wodą destylowaną i wysuszono.0.5 g of graphene oxide in 50 ml of ethanol is sonicated, then 0.063 g of iron III nitrate and 0.048 g of nickel nitrate (5 wt.% NiFe2O4) are added to the solution. Subsequently, 25% aqueous ammonia solution was added to the mixture to raise the pH to 12. After precipitation in the iron III hydroxide and nickel hydroxide solution, the mixture was placed in a microwave reactor and the synthesis was carried out for 5 minutes at 4 MPa. The resulting material was then washed with distilled water and dried.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sporządzono roztwór i postępowano jak w przykładzie 1, z tym, że podczas sporządzania roztworu dodaje się 0,418 g azotanu żelaza III i 0,322 g azotanu niklu (25% mas. NiFe2O4), syntezę prowadzono w czasie 30 minut, przy ciśnieniu 5 MPa.A solution was prepared and the procedure was as in Example 1, except that 0.418 g of iron III nitrate and 0.322 g of nickel nitrate (25 wt.% NiFe2O4) were added during the preparation of the solution, the synthesis was carried out within 30 minutes at a pressure of 5 MPa.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Sporządzono roztwór i postępowano jak w przykładzie 1, z tym, że podczas sporządzania roztworu sporządzania roztworu dodaje się 1,261 g azotanu żelaza III i 0,971 g azotanu niklu (50% mas. NiFe2CO4), syntezę prowadzono w czasie 45 minut, przy ciśnieniu 6 MPa.A solution was prepared and the procedure was as in Example 1, except that 1.261 g of iron III nitrate and 0.971 g of nickel nitrate (50 wt.% NiFe2CO4) were added during the preparation of the solution for the preparation of the solution, the synthesis was carried out during 45 minutes at a pressure of 6 MPa.

Claims

Patent claim

1. The method of obtaining a graphene / NiFe2O4 composite consisting in the preparation of a mixture of graphene oxide, iron III nitrate, nickel nitrate, ammonia water, ethanol and subjecting it to pressure treatment, characterized in that the mixture is subjected to pressure treatment in a solvothermal microwave reactor for a period of 5 up to 45 minutes at a pressure of 4 to 6 MPa, then the obtained material is washed with distilled water and dried.