Solvothermal Synthesis and Comprehensive Characterization of High-Quality Graphene Oxide

Abstract

У цьому дослідженні представлено синтез та характеристику тонкої плівки оксиду графену (GO), отриманої сольвотермічним методом, оптимізованим для тонкошарового GO. Оксид графену, отриманий з графітових лусочок, відомий своєю універсальністю в таких застосуваннях, як електроніка, накопичення енергії та каталіз, завдяки своїй шаруватій структурі, поверхневим кисневим функціональним групам та розчинності. У цій роботі GO було синтезовано сольвотермічним методом у N,N-диметилформаміді (DMF), що посилило розшаровування оксиду графіту на тонкі листи GO. Використання DMF сприяло ефективному розділенню шарів, що призвело до отримання кількашарового GO з рівномірною товщиною. Синтезовану тонку плівку GO було всебічно охарактеризовано для визначення її структурних та функціональних властивостей. Рентгенівська дифракція (XRD) підтвердила успішне формування GO шляхом спостереження характерних міжшарових відстаней. Аналіз за допомогою інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR) виявив функціональні групи, такі як гідроксильні та карбонільні групи, що вказує на окислену структуру GO. Раманівська спектроскопія виділила щільність дефектів з чіткими смугами D та G, тоді як скануюча електронна мікроскопія (СЕМ) дала уявлення про морфологію плівки, показавши добре дисперговані, шаруваті структури. Термічний гравіметричний аналіз (ТГА) продемонстрував термічну стабільність та профіль розкладання оксиду графену (GO), підтверджуючи структурну стійкість синтезованої тонкої плівки. Цей ефективний сольвотермічний метод є перспективним для масштабованого виробництва тонких плівок G

This study presents the synthesis and characterization of a graphene oxide (GO) thin film prepared using a solvothermal method, optimized for thin-layered GO. Graphene oxide, obtained from graphite flake, is known for its versatility in applications such as electronics, energy storage, and catalysis, due to its layered structure, surface oxygen functionalities, and solubility. In this work, GO was synthesized through a solvothermal approach in N, N-dimethylformamide (DMF), enhancing the exfoliation of graphite oxide into thin GO sheets. The use of DMF facilitated effective layer separation, resulting in a few-layered GO with uniform thickness. The synthesized GO thin film was comprehensively characterized to determine its structural and functional properties. X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful formation of GO through the observation of characteristic interlayer spacing. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis revealed functional groups, such as hydroxyl and carbonyl groups, indicating GO’s oxidized structure. Raman spectroscopy highlighted the defect density with distinct D and G bands, while scanning electron microscopy (SEM) provided insight into the film's morphology, showing well-dispersed, layered structures. Thermal gravimetric analysis (TGA) exhibited GO’s thermal stability and decomposition profile, affirming the structural robustness of the synthesized thin film. This efficient solvothermal method shows promise for scalable GO thin-film production and assesses the environmental and economic feasibility of this approach to ensure sustainable application.