ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТА ОКСИД ГРАФЕНА – НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА

В этом исследовании электрические свойства композита из оксида графена (ОГ) и наноцеллюлозы (НЦ) изучаются с помощью импедансной спектроскопии, дополненной тщательной характеристикой с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), рамановской спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии (SEM). ИК-анализ выявил характерные пики, соответствующие функциональным группам, присутствующим как в ОК, так и в НЦ, что позволило получить представление об их химическом составе. Спектры XPS показали характерные пики, указывающие на состояние углеродных и кислородных связей, что объясняет химический состав поверхности материалов. Спектроскопия комбинационного рассеяния позволила получить информацию о структурном порядке и дефектах в образцах, особенно выделив графитную структуру ОГ. СЭМ-изображения выявили морфологические особенности композитной мембраны, продемонстрировав распределение частиц НЦ и структурные изменения, вызванные их внедрением. Для исследования электропроводности композита ОГ-НЦ была использована импедансная спектроскопия. Результаты показали, что поведение композита зависит от температуры, при этом с повышением температуры в пределах рабочего диапазона топливных элементов наблюдалось увеличение электропроводности. Примечательно, что добавление НЦ существенно не изменило электропроводность композита, что свидетельствует о совместимости и стабильности. Таким образом, эта всесторонняя характеристика с использованием множества аналитических методов дает ценную информацию об электрических свойствах композита ОГ-НЦ. Полученные результаты свидетельствуют о его потенциале для различных применений, требующих повышенной электропроводности, особенно в технологии топливных элементов.

1. Yu W., Sisi L., Haiyan Y., Jie L. Progress in the functional modification of graphene/graphene oxide: A review. RSC advances, 2020, vol. 10, no. 26, pp.15328–15345.

2. Han B., Zou Y., Xu G., Hu S., Kang Y., Qian Y., Gu M. Additive stabilization of SEI on graphite observed using cryo-electron microscopy. Energy & Environmental Science, 2021, vol. 14, no. 9, pp. 4882–4889.

3. Li C., Chen X., Shen L., Bao N. Revisiting the oxidation of graphite: Reaction mechanism, chemical stability, and structure self-regulation. ACS omega, 2020, vol. 5, no. 7, pp. 3397–3404.

4. Sharma N., Swami S., Shrivastava V., Nair R., Shrivastava R. Graphene oxide and functionalized graphene oxide: Robust, 2D material as heterogeneous green catalyst for heterocyclic synthesis. Materials today: proceedings, 2021, vol. 43, pp. 3309–3317.

5. Alkhouzaam A., Qiblawey H., Khraisheh M., Atieh M., Al-Ghouti M. Synthesis of graphene oxides particle of high oxidation degree using a modified Hummers method. Ceramics International, 2020, vol. 46, no. 15, pp. 23997–24007.

6. Verma V., Gurnani L., Das A., Kumari N., Dasgupta T., Mukhopadhyay A. Reduced graphene oxides prepared via explosive and non-explosive thermal reduction: Structural evolution, functional properties and reinforcing efficacy. Carbon, 2023, vol. 209, p. 118007.

7. Liang K., Spiesz E.M., Schmieden D. T., Xu A.W., Meyer A.S., Aubin-Tam M.E. Bioproduced polymers self-assemble with graphene oxide into nanocomposite films with enhanced mechanical performance. ACS nano, 2020, vol.14, no.11, pp. 14731–14739.

8. Thomas R., Balachandran M. Luminescence and energy storage characteristics of coke-based graphite oxide. Materials Chemistry and Physics, 2021, vol. 257, p. 123854.

9. Han Z., Xiao X., Qu H., Hu M., Au C., Nashalian A., Chen J. Ultrafast and selective nanofiltration enabled by graphene oxide membranes with unzipped carbon nanotube networks. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, vol. 14, no. 1, pp. 1850–1860.

10. Cha M., Boo C., Song I.H., Park C. Investigating the potential of ammonium retention by graphene oxide ceramic nanofiltration membranes for the treatment of semiconductor wastewater. Chemosphere, 2022, vol. 286, p. 131745.

11. Yang K., Pan T., Hong S., Zhang K., Zhu X., Chen B. Ultrathin graphene oxide membrane with constructed tent-shaped structures for efficient and tunable molecular sieving. Environmental Science: Nano, 2020, vol. 7, no. 8, pp. 2373–2384.

12. Zhang W., Huang Q., Liu S., Zhang M., Liu G., Ma Z., Jin W. Graphene oxide membrane regulated by surface charges and interlayer channels for selective transport of monovalent ions over divalent ions. Separation and Purification Technology, 2022, vol. 291, p. 120938.

13. Keerthi A., Goutham S., You Y., Iamprasertkun P., Dryfe R.A., Geim A.K., Radha B. Water friction in nanofluidic channels made from two-dimensional crystals. Nature communications, 2021, vol. 12, no. 1, p. 3092.

14. Beroual M., Mehelli O., Boumaza L., Trache D., Tarchoun A.F., Derradji M., Khimeche K. Synthesis and characterization of microcrystalline cellulose from giant reed using different delignification processes. Materials Research and Applications: Select Papers from JCH8-2019, 2021, pp. 173–187.

15. Tshikovhi A., Mishra S.B., Mishra A.K. Nanocellulose-based composites for the removal of contaminants from wastewater. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, vol. 152, pp. 616–632.

16. Fahma F., Febiyanti I., Lisdayana N., Arnata I.W., Sartika D. Nanocellulose as a new sustainable material for various applications: A reviewArchives of Materials Science and Engineering, 2021, vol. 109, no. 2, pp. 49–64.

17. Kawalerczyk J., Dziurka D., Mirski R., Szentner K. Properties of plywood produced with ureaformaldehyde adhesive modified with nanocellulose and microcellulose. Drvna industrija, 2020, vol. 71, no.1, pp. 61–67.

18. Wijesekara W.I., Gokila S., Gomathi T., Prasad S., Deepa M., & Sudha P.N. New Opportunities and Future Prospects. Nanobiomaterials: Research Trends and Applications, 2023, 314.

19. Zulaikha W., Hassan M.Z., & Ismail Z. Recent development of natural fibre for nanocellulose extraction and application. Materials Today: Proceedings, 2022, no. 66, pp. 2265–2273.

20. Xu T., Du H., Liu H., Liu W., Zhang X., Si C., ... & Zhang K. Advanced nanocellulose- based composites for flexible functional energy storage devices. Advanced materials, 2021, vol. 33, no. 48, p. 2101368.

21. Thomas P., Duolikun T., Rumjit N.P., Moosavi S., Lai C.W., Johan M.R.B., & Fen L.B. Comprehensive review on nanocellulose: Recent developments, challenges and future prospects. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2020, no. 110, p. 103884.

22. Ahmed A., Adak B., Faruk M. O., & Mukhopadhyay S. Nanocellulose coupled 2D graphene nanostructures: Emerging paradigm for sustainable functional applications. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2021, vol. 60, no. 30, pp. 10882–10916.

23. Xu T., Du H., Liu H., Liu W., Zhang X., Si C. ... & Zhang, K. Advanced nanocellulose- based composites for flexible functional energy storage devices. Advanced materials, 2021, vol. 33, no. 48, p. 2101368.

24. Zhang K., Ketterle L., Järvinen T., Lorite G.S., Hong S., & Liimatainen H. (2020). Self-assembly of graphene oxide and cellulose nanocrystals into continuous filament via interfacial nanoparticle complexation. Materials & Design, 2020, no. 193, p. 108791.

25. Almasov N., Kurbanova B., Kuanyshbekov T., Akatan K., Kabdrakhmanova S. & Aimaganbetov K. Study of the structure and electrical properties of graphene oxide (GO) and graphene oxide+ nanocellulose (GO+ NC). Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra= Complex use of mineral resources, 2024, vol. 329, no. 2, pp. 103–109.

26. Ge X., Shan Y., Wu L., Mu X., Peng H., Jiang Y. High-strength and morphology-controlled aerogel based on carboxymethyl cellulose and graphene oxide. Carbohydr. Polym., 2018, no. 197, pp. 277–283.

27. Chen L., Li Y., Du Q., Wang Z., Xia Y., Yedinak E., Lou J., Ci L. High performance agar/graphene oxide composite aerogel for methylene blue removal. Carbohydr. Polym., 2017, no. 155, pp. 345–353.

28. Kuanyshbekov T., Guseinov N., Tolepov Zh., Kurbanova B., Tulegenova M., Akatan K., Kantay N., and Zhasasynov E. Thermally Reduced Graphene Oxide Membranes From Local Kazakhstan Graphite “Ognevsky”. ChemistrySelect 2023, no. 8, e202301746.

29. Mengke Zhao, Sufeng Zhang, Guigan Fang, Chen Huang and Ting Wu. Directionally-Grown Carboxymethyl Cellulose/Reduced Graphene Oxide Aerogel with Excellent Structure Stability and Adsorption Capacity. Polymers 2020, no.12, p. 2219. https://doi.org/10.3390/polym12102219.

30. Kuanyshbekov T., Sagdollin Z., Zhasasynov E., Akatan K., Kurbanova B., Guseinov N., Tolepov Z., Kantay N., Beisebekov M. Composite Membrane Based on Graphene Oxide and Carboxymethylcellulose from Local Kazakh Raw Materials for Possible Applications in Electronic Devices. J. Compos. Sci., 2023, no. 7, p. 342. https:// doi.org/10.3390/jcs7080342

31. Kuanyshbekov T.K., Akatan K., Kabdrakhmanova S.K., Nemkaeva R., Aitzhanov M., Imasheva A., Kairatuly E. (2021). Synthesis of graphene oxide from graphite by the hummers method. Oxidation Communications, 2021, 44, no. 2.