Grafeen-geïnduceerde kamertemperatuur ferromagnetisme in kobalt nanodeeltjes versierd grafeen nanohybride

Resultaten en discussie

Figuur 1 illustreert het synthesemechanisme van Co-rGO nanohybride. Zoals weergegeven in de figuur, werden eerst grafietoxide (GO), Co NP's, ethyleendiamine (EDA), ethyleenglycol (EG) en natriumacetaat (NaAc) in een bekerglas genomen en in een ultrasoonapparaat gesoniceerd voor een goede dispersie van het mengsel. Hier werd NaAc gebruikt als een elektrostatische stabilisator die deeltjesagglomeratie kan stoppen; EDA en EG fungeren als de oplosmiddelmedia voor een goede dispersie van Co NP's. Na de juiste dispersie werd het mengsel gedurende 12 uur in een oven onder 200 ° C overgebracht. In deze solvothermische reactie speelt EDA een belangrijke rol in de evolutie van Co-rGO-nanohybride, en EG werkt als een reductiemiddel dat bijdraagt ​​aan de reductie van GO tot rGO [15, 16].

Schematisch diagram dat het synthesemechanisme van Co-rGO nanohybride illustreert

De grootte, vorm en ongelijkheid van bereide Co NP's zijn onderzocht met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Het is te zien in figuur 2a, de meeste Co NP's hebben een bijna bolvorm met een gemiddelde grootte van 15-20 nm. Figuur 2b is het TEM-beeld van rGO-nanobladen, waaruit blijkt dat het rGO-blad bijna transparant is met een gekreukt papierachtig oppervlak. Verder zijn Fig. 2 c en d respectievelijk TEM- en HRTEM-afbeeldingen van Co-rGO nanohybride. Het is goed weergegeven dat Co NP's met succes over het oppervlak van het rGO-vel zijn gedecoreerd. De gemiddelde diameter van Co NP's op het oppervlak van het rGO-vel bleek 5-8 nm te zijn, wat lager is dan de waargenomen waarde in het geval van Co NP's. Deze verandering wordt waargenomen door grafeen en ethyleenglycol, die de grootte van Co NP's in solvothermische reactie beperken [14]. Verder werd uit het HRTEM-beeld (figuur 2d) de interplanaire afstand berekend als respectievelijk 0, 36 en 0, 22 nm voor rGO en Co NP's, wat overeenkomt met (002) vlak van beide materialen. De oppervlaktemorfologie van as-gesynthetiseerde rGO en Co-rGO nanohybride werd onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscoop (SEM). Figuur 2 e is een typisch SEM-beeld van rGO-nanobladen. Het illustreert dat rGO een pluizige morfologie heeft met een lamellaire structuur. SEM-afbeelding van Co-rGO nanohybride wordt getoond in Fig. 2f. De witachtige vlekken op het rGO-vel zijn een duidelijke indicatie van de goede dispersie van Co NP's. Het duidt ook op een sterke covalente binding tussen Co NP's en het rGO-blad door elektronische interactie. Daarom speelt rGO een vitale rol in Co-rGO nanohybride door het specifieke oppervlak te vergroten en de ongelijkheid van Co NP's te bevorderen, wat synergetisch de katalytische activiteit versterkt [14].

een –d TEM-afbeeldingen a Co NP's, b rGO-nanobladen, c en d Co-rGO nanohybride. e – f SEM-afbeeldingen e rGO nanosheets en f Co-rGO nanohybride

Energie-dispersieve röntgenanalyse (EDX) werd gebruikt om informatie over gelokaliseerde elementen in Co-rGO-nanocomposiet te onderzoeken. Figuur 3 toont de elementaire analyse van Co-rGO nanohybride, die duidelijk het bestaan ​​van C-, O- en Co-elementen in het monster weergeeft. Het inzetbeeld van Fig. 3 toont het atomaire percentage (in %) van de samenstellende elementen in Co-rGO nanohybride. De atoompercentages van Co, C en O bleken respectievelijk 27,05, 67,77 en 5,18 te zijn in de nanohybride.

EDX-spectrum van Co-rGO nanohybride. De inzetafbeelding toont verkregen elementaire mappingresultaten van Co-rGO-monster

Figuur 4a toont het XRD-patroon van de rGO-nanobladen. Het beschrijft de succesvolle afschilfering van GO in rGO omdat het reflectie bevat van (002) en (100) vlakken op respectievelijk 24,83 ° en 43 ° [15]. XRD-patroon van Co NP's met succes geïndexeerd met (100), (002), (101) en (110) vlakken op 41,63 °, 44,24 °, 47,37 ° en 75,80 °, respectievelijk van Co (Fig. 4Ab) [14] . Deze reflectievlakken komen goed overeen met de hcp-structuur van Co NP's (JCPDS nr. 05-0727). Deze opwindende fase werd waargenomen door de omzetting van kobaltacetylacetonaat [Co(acac)₃ ] in metallisch kobalt door de solvothermische reactie. Verder toont Fig. 4Ac het XRD-patroon van Co-rGO nanohybride. Naast reflectievlakken waargenomen in rGO {(002), (100) bij respectievelijk 24,83 ° en 43 °}, bevat het XRD-patroon alle reflectievlakken zoals gevonden in het geval van Co NP's. Dit resultaat duidt op een juiste fasevorming van Co NP's op het oppervlak van rGO-nanobladen. Uit Fig. 4Ac wordt ook opgemerkt dat de relatieve intensiteit van Co-pieken toenam met de vorming van Co-rGO-nanohybride. Dit kan worden toegeschreven aan verbetering van de kristalliniteit en oriëntatie van Co NP's als gevolg van rGO. Xu et al. vergelijkbare kenmerken waargenomen in het geval van Co-rGO-nanocomposiet [14].

(Een ) XRD-patronen a rGO-nanobladen, b Co NP's en c Co-rGO nanohybride (B) Raman-spectra van GO, rGO en Co-rGO nanohybride (van onder naar boven). (C) Raman-spectra van rGO en Co-rGO, met veranderingen in de D- en G-pieken

Figuur 4b toont de Raman-spectra van GO, rGO en Co-rGO nanohybride. Alle drie de materialen bevatten vier banden, namelijk D, G, 2D en D + G, met een kleine verandering in hun golfnummer. De G-band van rGO en Co-rGO nanohybride verschijnt op 1586 cm ⁻¹ en 1585 cm ⁻¹ respectievelijk, terwijl de G-band van GO wordt waargenomen bij 1600 cm ⁻¹ [15, 16]. Vergeleken met GO wordt de G-band van rGO en Co-rGO verschoven naar een lager golfgetal, wat wijst op de reductie van GO in rGO [15]. Over het algemeen wordt de oorsprong van de D-band beschouwd als stoornissen van koolstofatomen en als een defect in de grafitische structuur, terwijl de G-band wordt aangeduid als sp ² hybridisatie van geordende koolstofatomen in E_2g vibratiemodus [18, 19]. Verder is de intensiteitsverhouding van de D- en G-band (I_D /I_G ) berekent ruwweg de omvang van het defect en de mate van grafitisering van koolstofatomen. De I_D /I_G waarden voor rGO en Co-rGO bleken respectievelijk 1,04 en 1,06 te zijn, wat hoger is dan de I_D /I_G waarde van GO (0,96). Bovendien wordt uit figuur 4c waargenomen dat de D- en G-banden van hybride verschoven naar een lager golfgetal (roodverschuiving), en de halve maxima over de volledige breedte zijn ook veranderd in vergelijking met rGO. Deze resultaten geven de hybridisatie van rGO- en Co-orbitalen aan en bevestigen sterke elektronische interactie tussen rGO en Co in de hybride structuur [8, 20]. De splitsing in G-band van zowel rGO als Co-rGO hybride (figuur 4c) stelde vast dat de rGO-vellen zijn niet meer dan drielaags-grafeen [21].

Figuur 5a toont de kamertemperatuur veldafhankelijke magnetisatie (M-H) curve voor rGO, Co NP's en Co-rGO nanohybride. Het laat zien dat de rGO-nanosheet, zoals verwacht, een niet-magnetische respons heeft. Aan de andere kant geven Co NP's superparamagnetisch gedrag weer (minimale coërciviteit, H_C 115 Oe) [22, 23]. Dit gedrag werd waargenomen vanwege de kleinere omvang van Co NP's (minder dan 20 nm) [24]. In deze toestand wordt de thermische energie vergelijkbaar met anisotrope magnetische energie en leidt dit in korte tijd tot het omdraaien van spins (Fig. 6 linkerpaneel). De magnetische anisotropie-energie E (ϴ ) per deeltje wordt gedefinieerd als "de energie die nodig is om het magnetische moment in een bepaalde richting te houden" en kan worden uitgedrukt als

een M-H-grafiek bij kamertemperatuur van rGO, Co NP's en Co-rGO nanohybride. b M-H-grafiek in het onderste veldgebied (− 0.3 T tot + 0.3 T).

E (ϴ ) = K _eff V Zonde ² ϴ

Hier, K _eff is anisotropieconstante, V is het deeltjesvolume, en ϴ is de hoek tussen magnetisatie en gemakkelijke as [22]. De magnetische anisotrope energiebarrière die de twee spins scheidt, d.w.z. spin-up en spin-down toestand, is evenredig met K _eff V . Wanneer de grootte van de NC voldoende genoeg afneemt, wordt de energiebarrière kleiner dan de thermische energie (K_B T), wat resulteert in het omdraaien van spins. Dit gedrag wordt superparamagnetisch genoemd en materiaal wordt superparamagneet genoemd. Dergelijk materiaal heeft een enorm magnetisch moment in een klein magnetisch veld zonder enige hysterese. Van de M-H-lus, de berekende waarde van coërciviteit (H_C ), remanente magnetisatie (M_R ), en verzadigingsmagnetisatie (M_S ) voor Co NP's en Co-rGO nanohybride staan ​​vermeld in Tabel 1.

Verder illustreert de M-H-curve van CO-rGO-nanohybride, zoals getoond in Fig. 5, ferromagnetisch gedrag omdat de magnetisatie ervan bijna verzadigd is met hoge H_C en M_R waarden respectievelijk 650 Oe en 5.90 emu/g. Niettemin, de M_S waarde van Co-rGO nanohybride significant verlaagd tot 26 emu/g in vergelijking met zijn bulk M_S waarde (168 emu/g) [24]. Het komt door niet-magnetische rGO-nanobladen en kleinere Co NP's. Aangenomen wordt dat de oorsprong van ferromagnetisme (FM) in Co-rGO nanohybride het gevolg is van de hybridisatie van p_z -orbitaal van rGO met d-orbitaal van Co NP's (Fig. 6 rechterpaneel). Dit resulteert in gedeeltelijke elektronenoverdracht van rGO naar Co d-orbital, wat de elektronische toestanden van nanohybride verder wijzigde en de ferromagnetische interactie bevorderde. Zoals eerder besproken, toont het Raman-spectrum van hybride een sterke elektronische interactie tussen Co en rGO, bevestigde die ladingsoverdracht tussen Co en rGO. Sun et al. vergelijkbare kenmerken waargenomen in het geval van met rGO geklopte Co-gedoteerde ZnO (Co:ZnO) kwantumstippen [8]. Ze hebben voorgesteld dat rGO Co ²⁺ . kan vormen -V_O complex in de Co:ZnO vanwege ladingsoverdracht van rGO naar Co:ZnO. Dit leidt tot veranderingen in het fermi-niveau en resulteert in de waarneming van ferromagnetisme bij kamertemperatuur in de hybride structuur.

Schematisch model voor SPM- en FM-gedrag in respectievelijk Co NP's en Co-rGO nanohybride

Dus, met de vorming van Co-rGO-hybride, veranderde de superparamagnetische interactie tussen Co NP's in ferromagnetische interactie op lange afstand. De andere microstructurele parameters, zoals morfologie, interne spanning en oriëntatiedefecten, kunnen ook de coërciviteitswaarde verhogen [25, 26]. De magnetisatieresultaten van het huidige werk zijn vergeleken met sommige MNPs-rGO-nanocomposiet en vermeld in tabel 2.