Meelsteen-exfoliatie: hoge-opbrengst, groot-formaat few-laag grafeenoxide via echte afschuifkracht

Samenvatting

Een meelsteen (MS) werd geïntroduceerd in de productie van groot-formaat few-laag grafeenoxide (FLGO) via echte afschuif-exfoliatie om fragmentatie te minimaliseren. De MS werd samengesteld uit twee glasplaten, waarbij de bovenste plat was ontworpen om te draaien tegen de stationaire onderste plat, daarbij echte afschuifkracht genererend. Mild geoxideerd grafit (MOG) werd gebruikt voor MS-exfoliatie om zowel goede eigenschappen als hoge opbrengst te verkrijgen. De toer van rotatie (10, 20, 30, 40 en 50), oplossingsconcentratie (0,5, 1 en 2 mg/ml) en aantal exfoliaties (1, 2 en 3) werden geoptimaliseerd door UV-vis-absorptie te meten, en het effect van oxidatietijd (30, 60 en 90 min) werd bestudeerd onder de gegeven optimale condities. Vervolgens werd de FLGO geïsoleerd door centrifugatie en gekarakteriseerd door TEM en AFM. De verkregen FLGO was zo groot als ~ 10 µm in grootte, wat iets kleiner was dan het pristine grafit, wat een mogelijke lichte fragmentatie suggereert. Maar het was nog veel groter dan de FLGO verkregen via sonicatie (< 1 µm), wat succesvolle MS-exfoliatie demonstreert.

Achtergrond

Uitstekende eigenschappen van grafeen hebben geleid tot uitgebreide studies over hun toepassingen in veld-effect-transistors, sensoren, transparante elektroden en andere gebieden. Voor dergelijke toepassingen is het essentieel om grafeen met hoge kwaliteit en betaalbare prijs te hebben, evenals grote grootte, om het inter-deeltjes connectiviteitsprobleem te minimaliseren. Diverse methoden zijn geïntroduceerd om grafeen te prepareren, zoals chemische dampafscheiding (CVD) en epitaxiale groei. Deze methoden produceerden hoge-kwaliteit grafeen met grote grootte, maar hadden hoge kosten. De exfoliatie van goedkoop natuurlijk grafit, aan de andere kant, resulteerde in grafeen tegen lage kosten, maar de grootte van grafeen werd beperkt door de grootte van pristine grafit, met zelfs kleiner-grootte grafeen die gerapporteerd werden ten gevolge van fragmentatie bij exfoliatie.

Fysieke exfoliatie, zoals sonicatie, balmilling en afschuif-exfoliatie, produceerde hoge-kwaliteit grafeen, maar deze methoden produceerden over het algemeen grafeen met kleine grootte en lage opbrengst. In vergelijking produceerde chemische exfoliatie over het algemeen groter-grootte grafeenoxide (GO) met hogere opbrengst dan fysieke exfoliatie, maar de geproduceerde GO was over het algemeen kleiner in grootte dan het pristine grafit. Dit werd toegeschreven aan fragmentatie voortvloeiende uit de additionele exfoliatie zoals sonicatie, die na oxidatie werd uitgevoerd om de opbrengst van GO of groot-formaat few-laag grafeenoxide (FLGO) te verhogen. Bovendien kan oxidatie-fragmentatie voortvloeiende uit harde oxidatiecondities een bijdragende rol hebben gespeeld.

Dus, om dergelijke fragmentatie te vermijden en groot-formaat GO te produceren, kunnen twee benaderingen overwogen worden. Eén is de optimalisatie van oxidatiecondities om complete oxidatie-exfoliatie met minimale oxidatie-fragmentatie te realiseren en de andere is de modificatie van bestaande exfoliatiemethoden of de introductie van een nieuwe methode om complete exfoliatie met geen of minimale fragmentatie te realiseren. Bovendien zou het nodig zijn om groot-formaat grafit te gebruiken aangezien de GO-grootte beperkt is door de grootte van het pristine grafeit. Feitelijk rapporteerden studies over millimeter- tot enkele-honderd-micron-grootte grafit veel grotere GO dan die verkregen van de wijd gebruikte 325-mesh grafit.

Wat de eerste benadering betreft, bestudeerden drie typen oxidatiecondities in de literatuur: (1) twee-staps oxidatie; (2) bereiding van grafit-intercalatieverbinding (GIC) of geëxpandeerd grafit, gevolgd door exfoliatie; en (3) oxidatie onder harde condities dan die gebruikt in de Hummers-methode. Deze methoden produceerden veel grotere GO dan eerdere gerapporteerde methoden, maar de GO-grootte was nog steeds kleiner dan het pristine grafit, wat aangeeft dat oxidatie-fragmentatie plaatsvond.

Wat de tweede benadering betreft, is een uitgebreide review van bestaande methoden noodzakelijk als een modificatie of introductie van een nieuwe methode geprobeerd wordt. Milde sonicatie produceerde veel grotere GO dan conventionele sonicatie-exfoliatie, maar de GO was nog steeds kleiner in grootte dan het pristine grafit, wat suggereert dat een hoge graad van fragmentatie optrad. Aan de andere kant genereerde zacht schudden GO met een grootte vergelijkbaar met of iets kleiner dan de grootte van het pristine grafit, wat weinig fragmentatie demonstreerde, maar de opbrengst was erg laag. Bovendien gebruikten Ang en medewerkers refluxen van de mild geoxideerde GTO om GO te produceren, wat een grootte van 330 µm² (~ 18 µm) genereerde, maar de grootte van het pristine grafit werd niet gerapporteerd, wat het moeilijk maakte om te bepalen of fragmentatie optrad of niet. Refluxen werd ook geprobeerd met groot grafit (80 mesh, 178 µm max) in DMF met ureum, wat grafeen van 10 µm in zeer lage opbrengst genereerde.

Zoals uit deze resultaten blijkt, kan het onmogelijk zijn om groot-formaat GO met hoge opbrengst te verkrijgen wanneer bestaande methoden worden gebruikt, zelfs met het gebruik van groot grafit, wat suggereert dat het vinden van een nieuwe methode de betere benadering kan zijn. In het licht hiervan kreeg afschuif-exfoliatie, een van de fysieke exfoliatiemethoden, onze aandacht omdat het verwacht werd weinig of geen fragmentatie te geven, waardoor groot FLGO verkregen zou worden. Contradictorisch genoeg werd echter klein FLGO gerapporteerd, wat suggereert dat een hoge graad van fragmentatie kan zijn opgetreden door de hoge-snelheid mixer die voor afschuif-exfoliatie werd gebruikt. Er wordt aangenomen dat het mes van de mixer een hoge impacts kracht uitoefende, in plaats van echte afschuifkracht, op het grafitoxide (GTO), wat resulteerde in een hoge graad van fragmentatie naast exfoliatie.

Dit leidde ons tot het zoeken naar een nieuw apparaat capabel van het genereren van echte afschuifkracht voor exfoliatie, zodat de afschuifkracht parallel is aan de grafeenlaag. In deze zin lijken twee parallele platen, die tegen elkaar bewegen of draaien, een veelbelovende configuratie, wat een meelsteen-achtig apparaat suggereert waarin de lopersteen draait tegen de stationaire bedsteen. In deze studie werd dus een nieuw meelsteen-gebaseerd apparaat geïntroduceerd voor de exfoliatie van GTO, in een poging om fragmentatie te minimaliseren en groot-formaat FLGO te produceren. Daarnaast werd mild geoxideerd grafit (MOG) gebruikt om FLGO met zowel goede eigenschappen als hoge opbrengst te verkrijgen, zoals eerder gerapporteerd.

Methoden

Materialen

Natuurlijk grafit (325 mesh, 99,8%, metaalbasis) werd gekocht van Alfa Aesar (Ward Hill, MA, USA), en KMnO₄ (ACS reagent, > 99%) werd geleverd door Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). HCl (extra zuiver, > 35%), H₂SO₄ (extra zuiver, > 95%) en H₂O₂ (extra zuiver, > 35%) werden gekocht van OCI (Korea).

Ontwerp en fabricatie van meelsteen

Het meelsteen (MS) apparaat werd ontworpen zodat de bovenste glasplaat (lopersteen) draait tegen de stationaire onderste plaat (bedsteen) om afschuifkracht te genereren (Fig. 1). Initieel werden echte steenplaten getest, gevolgd door staalplaten, maar deze waren niet vlak genoeg om soepel draaiing te garanderen, evenals moeilijk te machineeren in een gewenste vorm. Aan de andere kant waren glasplaten veel makkelijker te machineeren, terwijl hun transparantie het mogelijk maakte de voortgang van exfoliatie te monitoren. Een glasplaat van 10-mm dikte werd gesneden in een diameter van 35 cm en gestraald, gevolgd door slijpen met een abrasief om een vlak en glad oppervlak te garanderen. Een elektromotor met snelheidsregelaar werd aan de bovenkant van de plaat bevestigd om vermogen voor de rotatie te leveren.

Schematische tekening van meelsteen voor exfoliatie van grafit

Milde oxidatie van natuurlijk grafit

Mild geoxideerd natuurlijk grafit (MOG) werd bereid via de gemodificeerde Hummers-methode, zoals eerder gepubliceerd, en gebruikt voor MS-exfoliatie om few-laag grafeenoxide (FLGO) met goede eigenschappen en hoge opbrengst te verkrijgen. Een korte beschrijving van de bereiding van MOG is als volgt: Na het laden van 46 ml H₂SO₄ in een ronde-bodemfles in een 20 °C waterbad, werd 2 g natuurlijk grafit toegevoegd, gevolgd door de langzame toevoeging van 4 g KMnO₄. Het mengsel werd gerold gedurende 30, 60 of 90 min (MOG-30, MOG-60 en MOG-90 respectievelijk) en in een 2-l fles gegoten gevuld met 1,8 l gedemineraliseerd water (DIW), waaraan de H₂O₂-oplossing werd toegevoegd.

De MOG-oplossing werd overgebracht naar een 2-l PP mesh-mescilinder en DIW werd toegevoegd tot 2 l. Na overnachten rijpen, werd het bovenwater afgedekt en de cylinder gevuld met 10% HCl-oplossing. Het proces van afdekken en vullen met HCl-oplossing werd tweemaal herhaald. Het proces werd vervolgens drie keer meer herhaald met DIW, en de oplossing werd aangepast om een concentratie van 2 mg/ml te hebben. Vervolgens werd hetenten van aryldiazoniumzouten van sulfonzuur (ADS) uitgevoerd via het eén-stapsproces om de waterdispersie te verbeteren, zoals eerder gerapporteerd. Ten slotte werd de oplossing gereinigd door centrifugatie bij 4k toer voor 30 min om de ongereageerde ADS te verwijderen.

Exfoliatie van MOG via meelsteen

MS-exfoliatie werd eerst uitgevoerd op de MOG-60-oplossing door de toer en de concentratie van de MOG-oplossing te variëren om de opbrengst van FLGO te maximaliseren met minimale fragmentatie. Eerst werd de toer van de bovenste plat gewijzigd van 10 tot 50 met 10 ml van 1 mg/ml-oplossing. Ongeveer 1 ml van de waterige MOG-oplossing werd in de trechter aan de bovenste plat gedoseerd, gevolgd door rotatie met de gegeven toer. Toen de oplossing verbruikt was, werd nog 1 ml aan de trechter toegevoegd, en het proces werd herhaald tot alle 10-ml oplossing verbruikt was. Aan het einde van de exfoliatie werd 10 ml DIW gebruikt om de resterende FLGO die tussen de twee glasplaten kon zitten, uit te spoelen.

Vervolgens werd het effect van de oplossingsconcentratie (0,5, 1 en 2 mg/ml) bestudeerd bij 30 toer, zoals hierboven beschreven. Daarnaast werd ook verdere exfoliatie geprobeerd door de MS-exfoliatie twee of drie keer te herhalen met dezelfde oplossing. Een oplossing van 1 mg/ml concentratie werd gebruikt bij 30 toer, en wassen met DIW werd slechts één keer uitgevoerd na de laatste exfoliatie. Reproduceerbaarheid werd bevestigd door MS-exfoliatie ten minste drie keer uit te voeren voor elke oplossing. Ten slotte werden de oplossingen van MOG-30 en MOG-90 ook bestudeerd voor vergelijking. De oplossingen werden onderworpen aan dialyse met een cellulase-membraan (Spectrum Labs, d = 25,5 mm, MWCO = 6–8 kDa) om de monsters voor TEM- en AFM-analyse en voor bladweerstandmetingen voor te bereiden.

Karakterisatie van MOG en FLGO

UV-vis-spectroscopie (Agilent, 8453) werd uitgevoerd voor het meten van de absorptie bij 660 nm voor MOG-oplossingen na oxidatie en na exfoliatie. TEM (Jeol-2100, Japan) en AFM (XE-100, Park Systems, Korea) werden ook gebruikt voor de karakterisatie van FLGO. Veld-emissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM, Jeol, JSM-7500F, Japan) werd uitgevoerd bij 10 keV voor de karakterisatie van MOG en geëxfolieerde MOG door gebruik te maken van monsters gecoat met Pt. De bladweerstand werd gemeten door de 4-punt-proefmethode (CMT-SR2000, Changmin Tech., Korea), en het monstergewicht werd gecontroleerd op ~ 2 mg. Ten minste drie monsters werden gemeten en de resultaten gemiddeld. De opbrengst werd berekend uit het gewicht van het neerslag en het supernatans na centrifugatie van de 10-ml oplossing bij 1k toer gedurende 2 uur. Bovendien werd de opbrengst ook berekend uit de UV-vis-absorptie van de bovenooplopende oplossing na centrifugatie en van de MOG-oplossing voor centrifugatie.

Resultaten en discussie

Milde oxidatie van natuurlijk grafit

Mild geoxideerde grafit (MOG) oplossingen bereid via de gemodificeerde Hummers-methode leverden UV-vis-absorpties van 7,8, 9,9 en 11,2 voor MOG-30, MOG-60 en MOG-90 respectievelijk (deze zijn iets hoger dan de waarden uit de vorige studie omdat ze gemeten werden bij 660 nm in plaats van 750 nm), wat milde oxidatie aangeeft. Zoals verwacht uit de vorige studie was er een hoge graad van oxidatie-exfoliatie, maar redelijk dikke MOG-platen met enkele rand-geëxpandeerde MOG werden waargenomen in alle monsters, wat aantoont dat milde oxidatie plaatsvond (Aanvullend bestand 1: Figuur S1). SEM-micrografen na ADS-enten toonden redelijk dunne (~ 1 µm) MOG-platen (Fig. 2) voor alle monsters, maar alleen MOG-30 toonde de rand-geëxpandeerde structuur (Fig. 2a), wat aangeeft dat verdere exfoliatie plaatsvond tijdens het entenproces. De SEM-analyse onthulde ook een laterale grootte van MOG zo groot als ~ 20 µm, wat vergeleken kan worden met de grootte van grote (20~30 µm) en kleine (< 10 µm) grafitdeeltjes van het as-ontvangen monster (Aanvullend bestand 1: Figuur S1d). Dit toont aan dat weinig fragmentatie optrad bij oxidatie, mogelijk door milde oxidatie.

SEM-micrografen van mild geoxideerd grafit en MS-geëxfolieerde MOG, a MOG-30, b MOG-60, c MOG-90, d MOG-30-MS, e MOG-60-MS en f MOG-90-MS

Optimalisatie van rotatiesnelheid voor MS-exfoliatie

Eerst werd de toer van MS-exfoliatie geoptimaliseerd door deze te variëren van 10 tot 20, 30, 40 en 50 met behulp van de MOG-60-oplossing van 1 mg/ml concentratie. Naarmate de toer steeg, bleef de absorptie bijna onveranderd bij 10, 20 en 30 toer en daalde vervolgens iets bij 40 en 50 toer, wat UV-vis-absorpties van 28,1, 28,2, 28,6, 27,2 en 26,5 respectievelijk opleverde (Fig. 3a). Een vergelijkbare trend werd ook waargenomen uit de oplossing na centrifugatie bij 1k toer gedurende 30 min (Fig. 3a). Het is opmerkelijk dat dit zeer vergelijkbaar is met de Stribeck-curve die een onveranderde wrijvingscoëfficiënt in het grensregime toont maar een afnemende wrijvingscoëfficiënt in het gemengde regime als de snelheid toeneemt. Daarom kan men zeggen dat de UV-vis-absorptie bij 10, 20 en 30 toer vrijwel onveranderd blijft door de bijna constante wrijvingskracht in het grensregime, terwijl de UV-vis-absorptie bij 40 en 50 toer afneemt door de afnemende wrijvingskracht in het gemengde regime, wat leidt tot verminderde exfoliatie van MOG-platen.

UV-vis-absorptie van MS-geëxfolieerde MOG-oplossing. Effect van a MS-rotatiesnelheid, b oplossingsconcentratie, c aantal herhalingen, d oxidatietijd, en e oxidatietijd met centrifugatie toer en f vergelijking van MS- en sonicatie-exfoliatie

Bovendien was de tijd vereist voor MS-exfoliatie bij 10 toer 90 min, terwijl 70, 45, 35 en 25 min nodig waren bij 20, 30, 40 en 50 toer respectievelijk. Op basis van dergelijke overwegingen werd de toer van 30 geselecteerd als de optimale toer voor deze studie. Zoals opgemerkt, vertoonde de UV-vis-absorptie van MS-geëxfolieerde monsters een stijging van ~ 300% (voor 30 toer), wat de uitstekende exfoliatiecapaciteit van de voorgestelde MS demonstreert.

Optimalisatie van MOG-oplossingsconcentratie

Toen de concentratie van de MOG-oplossing gevarieerd werd van 1 mg/ml naar 0,5 of 2 mg/ml bij 30 toer, werden UV-vis-absorpties van 28,3 en 27,7 respectievelijk verkregen (Fig. 3b). Het wordt aangenomen dat de eerste waarde vergelijkbaar is met de absorptie van 28,6 verkregen uit de 1 mg/ml oplossing, aangezien de concentratie laag genoeg is (0,5 mg/ml) om complete scheiding van elke MOG-plaat zonder stapeling toe te staan. Dit zou maximale afschuifkracht voor elke MOG-plaat bieden en leiden tot een maximale graad van exfoliatie. Aan de andere kant kan de iets lagere absorptie van de 2 mg/ml oplossing toegeschreven worden aan de aanwezigheid van enige stapeling in de MOG-platen door de hoge concentratie, wat resulteerde in glijden van de MOG-platen en dus afgenomen graad van exfoliatie. Ondanks de vergelijkbare resultaten verkregen van 0,5 en 1 mg/ml oplossingen, werd de laatste bevorzugd omdat veel kortere tijd nodig was voor exfoliatie (45 min ten opzichte van 80 min voor de eerste). De UV-vis-absorptie na centrifugatie bij 1k toer gedurende 30 min vertoonde dezelfde trend, wat de selectie van 1 g/ml oplossing als de optimale concentratie voor deze studie ondersteunt.

Effect van herhaling van MS-exfoliatie

Omdat MS-exfoliatie slechts één keer werd uitgevoerd om de bovengenoemde condities te optimaliseren, werd een poging gedaan om te bepalen of herhaalde exfoliaties tot verdere exfoliatie zouden leiden. Toen de MS-exfoliatie uitgevoerd werd op de MOG-60-oplossing van 1 mg/ml concentratie bij 30 toer, werden UV-vis-absorpties van 28,3, 28,6 en 28,9 verkregen voor één, twee en drie rondes exfoliatie respectievelijk (Fig. 3c). Het is te zien dat de waarden zeer vergelijkbaar zijn met elkaar, wat suggereert dat herhaalde exfoliaties niet noodzakelijk zijn. De absorptie na centrifugatie bij 1k toer gedurende 30 min vertoonde een vergelijkbare trend. Daarom werd een enkele ronde exfoliatie geselecteerd, samen met 1 mg/ml concentratie en 30 toer, als de optimale condities.

Effect van oxidatietijd op MS-exfoliatie

De oplossingen van MOG-30 en MOG-90 onder de optimale conditie toonden UV-vis-absorpties van 26,2 en 26,3 respectievelijk, wat iets lager is dan 28,6 van MOG-60 (Fig. 3d). De lagere absorptie met MOG-30 kan toegeschreven worden aan de lagere graad van exfoliatie, mogelijk door de lagere graad van oxidatie. Echter, de lagere absorptie met MOG-90 kan verklaard worden door de beschadigde sp²-koolstofbindingen als gevolg van een hoge graad van oxidatie, ondanks de hogere graad van exfoliatie, aangezien de beschadigde sp²-koolstofbinding niet bijdraagt aan de UV-vis-absorptie. Deze trend is vergelijkbaar met wat gerapporteerd werd voor de sonicatie-exfoliatie van MOG-oplossing.

Het is interessant om te noteren dat de UV-vis-absorptie toename met oxidatietijd na centrifugatie (Fig. 3d), wat aangeeft dat het aantal FLGO toename door de toegenomen exfoliatie met oxidatietijd. Dit verschilt van wat waargenomen werd voor centrifugatie en kan verklaard worden door de graad van exfoliatie die toeneemt in de volgorde MOG-30, MOG-60 en MOG-90, wat op zijn beurt resulteerde in het hoogste aantal FLGO met MOG-90, gevolgd door MOG-60 en MOG-30.

Naarmate de centrifugatietoer toenem, daalde de UV-vis-absorptie van MOG-90 bijna lineair (Fig. 3e), wat suggereert een bijna uniforme verdeling van FLGO (grootte of gewicht). Aan de andere kant toonde MOG-60 een rather snelle afname bij lage toer maar relatief trage afname bij hoge toer. Een vergelijkbaar gedrag werd waargenomen bij MOG-30 maar met een veel snellere afname bij lage toer. Dit kan verklaard worden door het aantal zware (of grote) FLGO aanwezig, wat afneemt in de volgorde MOG-30, MOG-60 en MOG-90 oplossing, en aangeeft dat een lagere graad van oxidatie resulteerde in een lagere graad van exfoliatie. Zoals opgemerkt, werden echter zeer vergelijkbare UV-vis-absorpties waargenomen bij 4k toer centrifugatie, ongeacht de oxidatietijd, wat suggereert dat een zeer lage graad van fragmentatie optrad bij MS-exfoliatie voor alle oplossingen.

Aan de andere kant vertoonde de UV-vis-absorptie van de MS-geëxfolieerde MOG-60-oplossing een heel ander gedrag (Fig. 3f) dan die van dezelfde oplossing na sonicatie-exfoliatie (24 uur). De laatstgenoemde toonde een veel langzamere afname in de UV-vis-absorptie, wat toegeschreven wordt aan een veel hoger aantal kleine FLGO als gevolg van de hogere graad van fragmentatie via sonicatie. Dit werd ondersteund door de kleine grootte (< 1 µm) van FLGO na sonicatie, zoals eerder gerapporteerd.

De SEM-analyse onthulde dunne MOG-platen (voor exfoliatie), die na MS-exfoliatie niet meer waargenomen werden (Fig. 2). Echter, gerolde of gedeeltelijk gerolde MOG-platen werden incidenteel waargenomen in alle MOG-oplossingen (Fig. 2). Dergelijke structuren worden gevormd via afschuifkracht van MS-exfoliatie. Aan de andere kant toonde de TEM-analyse van FLGO uit MOG-60 een laterale grootte zo groot als ~ 10 µm (Fig. 4a, b), en vergelijkbare TEM-micrografen werden verkregen uit MOG-30 en MOG-90 (Aanvullend bestand 1: Figuur S2). Rekening houdend met de grootte van grafit (20–30 µm) (Aanvullend bestand 1: Figuur S1d), kan er enige fragmentatie optreden bij MS-exfoliatie. Dit kan vergeleken worden met sonicatie-exfoliatie, die ~ 1 µm of kleinere grootte FLGO toonde, in het algemeen. Natuurlijk zijn ook veel kleinere FLGO's (< 10 µm) aanwezig na MS-exfoliatie, waarschijnlijk door de kleine grootte van het as-ontvangen grafit, samen met enige graad van fragmentatie. De AFM-analyse toonde ook FLGO (MOG-60) met een vergelijkbare grootte (~ 10 µm) als waargenomen in de TEM, wat succesvolle exfoliatie met weinig fragmentatie demonstreert (Fig. 4c). Bovendien onthulde de AFM een dikte van ~ 1 nm, wat overeenkomt met ~ 3 lagen, wat goede exfoliatie aangeeft. Vergelijkbare AFM-resultaten werden ook verkregen uit MOG-30 en MOG-90, zoals verwacht (Aanvullend bestand 1: Figuur S3). Natuurlijk werd ook veel dikker FLGO waargenomen in zowel de TEM als de AFM.

TEM (a, b) en AFM-micrograaf (c) van MS-geëxfolieerde MOG-60 en dikteprofiel (d)

De berekende opbrengst van FLGO nam toe met oxidatietijd, wat 36, 51 en 65% opleverde voor MOG-30, MOG-60 en MOG-90 respectievelijk. Deze waarden kunnen vergeleken worden met 35, 47 en 56% verkregen uit UV-vis-absorptiemetingen. Het is te zien dat de opbrengst op basis van gewicht hoger is dan de opbrengst uit UV-vis-absorptie. Dit wordt toegeschreven aan FLGO met beschadigde sp²-koolstofbindingen, die kunnen bijdragen aan het gewicht maar niet aan de UV-vis-absorptie. Vergeleken met 19, 55 en 73% opbrengst verkregen uit sonicatie-exfoliatie, kan men zien dat de opbrengst hoger, vergelijkbaar of lager is voor MOG-30, MOG-60 of MOG-90 respectievelijk. De hogere opbrengst met MOG-30 kan toegeschreven worden aan echte afschuif-exfoliatie, wat veel minder beïnvloed wordt door de graad van oxidatie dan sonicatie-exfoliatie. Met andere woorden, sonicatie-exfoliatie is sterk afhankelijk van de graad van oxidatie door zijn fragmentatie-geïnduceerde exfoliatie. Ten slotte werd de gemeten bladweerstand 3,2 × 10², 4,3 × 10³ en 2,5 × 10⁴ Ω/□ voor MOG-30, MOG-60 en MOG-90 respectievelijk (Tabel 1). Zoals verwacht, namen deze waarden toe met oxidatietijd en waren vergelijkbaar met de waarden verkregen uit sonicatie-exfoliatie. Dergelijke resultaten kunnen verklaard worden door de aanwezigheid van slechts enkele grote FLGO, die geen significante impact hadden op de bladweerstand.

Conclusies

Een meelsteen werd met succes gefabriceerd met twee glasplaten en gebruikt voor de exfoliatie van mild geoxideerd grafit. De optimale condities voor MS-exfoliatie, verkregen door de rotatiestoer (10–50), oplossingsconcentratie (0,5–2 mg/ml) en aantal exfoliaties (1–3 keer) te variëren, waren 30 toer, 1 mg/ml en één ronde exfoliatie. De TEM- en AFM-analyse toonde zeer dunne FLGO (~ 1 nm) met een grootte van ~ 10 µm en wees erop dat succesvolle exfoliatie plaatsvond met weinig fragmentatie, vergeleken met het pristine grafit (20–30 µm). De SEM-analyse onthulde rand-gerolde FLGO incidenteel, wat toegeschreven werd aan echte afschuif-exfoliatie. De opbrengst van FLGO uit de gewichtsmeting was 36, 51 en 65% voor MOG-30, MOG-60 en MOG-90 respectievelijk. Een vergelijking met 19, 55 en 73% verkregen uit sonicatie-exfoliatie toonde aan dat een veel betere exfoliatie plaatsvond voor MOG-30 met MS-exfoliatie, waarschijnlijk door echte afschuif-exfoliatie. De bladweerstand was echter vergelijkbaar met eerdere gerapporteerde resultaten en gaf aan dat het aantal grote FLGO verkregen via MS niet groot was.