Functional Regulation and Mechanism of Phosphoric Acid in GO Intercalation Stage

doi:10.7503/cjcu20230410

Abstract

Abstract:

The research on the regulation and mechanism of the intercalation stage in the preparation of graphene oxide（GO） is of great significance for the functionalization of GO and its application in electrode materials. On the basis of the improved Hummers method， different volumes of H₃PO₄ were added to the H₂SO₄ intercalation agent to prepare GO with different oxidation degrees. Scanning electron microscopy（SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR） and other characterization methods were used to analyze the microstructure， elemental composition and oxidation degree of different GO to explore the mechanism of H₃PO₄ in the process of intercalation of graphite. The electrochemical properties of GO under different volumes of H₃PO₄ were tested by cyclic voltammetry（CV） and electrochemical impedance spectroscopy（EIS）. The effect of H₃PO₄ on the electrochemical properties of GO was analyzed to achieve the purpose of improving the conductivity of GO by regulating the intercalation oxidation of graphite. The results show that the single H₂SO₄ causes the excessive oxidation of the ortho-diol on the GO base surface to cause holes. The addition of H₃PO₄ will expand the graphite layer spacing and make the oxidant easier to enter the graphite layer and react with 1，2-diol to form a ring structure to protect the base surface， thereby improving the conductivity of GO. As an auxiliary acid， H₃PO₄ will assist H₂SO₄ to prepare GO with more complete base surface and higher oxidation degree， but its acidity is weak and cannot completely replace the role of H₂SO₄ in the oxidation process. The research results provide experimental support and theoretical support for the subsequent development of functionalized GO and its application in energy storage.

Key words: Graphene oxide, Phosphoric acid intercalation, Mechanism research, Electrochemistry, Chemical reaction, Partial oxidation

CLC Number:

O646

TrendMD:

WANG Jiarui, LI Chunli, CHENG Jiahao, HAO Yaling, ZHOU Nan, YANG Peng. Functional Regulation and Mechanism of Phosphoric Acid in GO Intercalation Stage[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230410.

Figures/Tables 14

References 41

1	Xu B.， Li C. L.， Zhang H. Y.， Gong Z.， Yu Y.， Qiu G. M.， Membrane Sci. Technology， 2021， 41（6）， 18—26
	徐博，李春丽，张浩月，弓哲，于颖，邱广明. 膜科学与技术， 2021， 41（6）， 18—26
2	Zhang Z. H.， Schnieqq H. C.， Adamson D. H.， Carbon， 2019， 154， 510—521
3	Meng C. F.， Hu P. F.， Chen H. T.， Cai Y. J.， Zhou H.， Jiang Z. H.， Xiang Z.， Liu Z. Y.， Wang C. Y.， Yuan A. H.， Nanoscale， 2021， 13（16）， 7751—7760
4	Štengl V.， Bakardjieva S.， Grygar T. M.， Bludská J.， Kormunda M.， Chem. Cent. J.， 2013， 7（41）， 1—12
5	Li D.， Müller M. B.， Gilje S.， Kaner R. B.， Wallace G. G.， Nat. Nanotechnol.， 2008， 3（2）， 101—105
6	Alkhouzaam A.， Qiblawey H.， Khraishes M.， Atieh M.， Al⁃Ghouti M.， Ceram. Int.， 2020， 46（15）， 23997—24007
7	Contreras J. G.， Briones C. F.， Mater. Chem. Phys.， 2015， 153， 209—220
8	Sun L.， Miyakai T.， Seki S.， Dincă M.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（22）， 8185—8188
9	Hummers W. S. Jr.， Offeman R. E.， J. Am. Chem. Soc.， 1958， 80（6）， 1339
10	Marcano D. C.， Kosynkin D. V.， Berlin J. M.， Sinitskii A.， Sun Z. Z.， Slesarev A. S.， Alemany L. B.， Lu W.， Tour J. M.， ACS Nano， 2010， 4（8）， 4806—4814
11	Kovtyukhova N. I.， Wang Y.， Berkdemir A.， Cruz⁃Silva R.， Terrones M.， Crespi V. H.， Mallouk T. E.， Nat. Chem.， 2014， 6（11）， 957—963
12	Panwar V.， Chattree A.， Pal K.， Physica E： Low⁃dimensional Systems and Nanostructures， 2015， 73， 235—241
13	Tan P.， Bi Q.， Hu Y.， Fang Z.， Chen Y.， Cheng J.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 423， 1141—1151
14	Shuai S.， Liu Y.， Zhao C.， Zhu H.， Li Y.， Zhou K.， Ge W.， Hao J.， Chem. Phys.， 2020， 539， 110938
15	Zhang H. Y.， Li C. L.， Xu B.， Li X. H.， Tong L.， Qiu G. M.， Prog. Chem.， 2023， 42（5）， 2606—2615
	张浩月，李春丽，徐博，李筱贺，仝铃，邱广明. 化工进展， 2023， 42（5）， 2606—2615
16	Chen J.， Yao B.， Li C.， Shi G.， Carbon， 2013， 64， 225—229
17	Shao G.， Lu Y.， Wu F.， Yang C.， Zeng F.， Wu Q.， J. Mater. Sci.， 2012， 47， 4400—4409
18	Al⁃Gaashani R.， Najjar A.， Zakaria Y.， Mansour S.， Atieh M. A.， Ceramics International， 2019， 45（11）， 14439—14448
19	Kim D.， Yang S. J.， Kim Y. S.， Jung H.， Park C. R.， Carbon， 2012， 50（9）， 3229—3232
20	Dimiev A. M.， Tour J. M.， ACS Nano， 2014， 8（3）， 3060—3068
21	Yadav N.， Kallur V.， Chakraborty D.， Johari P.， Lochab B.， ACS Omega， 2019， 4（5）， 9407—9418
22	Cançado L. G.， Takai K.， Enoki T.， Endo M.， Kim Y. A.， Mizusaki H.， Jorio A.， Coelho L. N.， Magalhães⁃Paniago R.， Pimenta M. A.， Appl. Phys. Lett.， 2006， 88（16）， 163106
23	Samsonidze G. G.， Barros E. B.， Saito R.， Jiang J.， Dresselhaus G.， Dresselhaus M. S.， Phys. Rev. B， 2007， 75（15）， 155420
24	Dresselhaus M. S.， Dresselhaus G.， Adv. Phys.， 2002， 51（1）， 1—186
25	Liu Z.， Duan X. Z.， Zhou X. G.， Qian G.， Zhou J. H.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2014， 53（1）， 253—258
26	Matsumoto R.， Okabe Y.， Synthetic. Met.， 2016， 212， 62—68
27	Lai Q.， Luo X. P.， J. Mater. Res.， 2015， 29（2）， 155—160
	赖奇，罗学萍. 材料研究学报， 2015， 29（2）， 155—160
28	Jeong H. K.， Jin M. H.， So K. P.， Lim S. C.， Lee Y. H.， J. Phys. D， 2009， 42（6）， 065418
29	Liang Y.， Zhang R. L.， Liu B. H.， Wang J. P.， Wang S. H.， Han M. Y.， Zhang Z. P.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 53（38）， 10109—10113
30	Yu H. T.， Zhang B. W.， Bulin C. K.， Li R. H.， Xing R. G.， Sci. Rep.， 2016， 6（1）， 36143
31	Becerra⁃Paniagua D. K.， Sotelo⁃Lerma M.， Hu H. L.， J. Mater. Sci. Mater. E， 2019， 30，3973—3983
32	Dimiev A. M.， Bachilo S. M.， Saito R.， Tour J. M.， ACS Nano， 2012， 6（9）， 7842—7849
33	Narayanan Kutty T. R.， Vasudeva Murthy A. R.， Z. Anorg. Allg. Chem.， 1970， 379（2）， 218—224
34	Shan H.， Xin B. J.， Chen Z. M.， Liu Y.， Text. Res. J.， 2019， 89（6）， 1038—1050
35	Fu L.， The Research on Synthesis， Characterization and Application of Graphite Oxide and Polypyrrole/Graphite Oxide Nanocomposites， Hunan University， Changsha， 2005
	傅玲. 氧化石墨和聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料的制备、表征及应用研究，长沙：湖南大学， 2005
36	Zubair N. A.， Rahman N. A.， Lim H. N.， Sulaiman Y.， Nanoscale Res. Lett.， 2017， 12， 1—13
37	Jiang B.， Wu L. T.， Yu L. H.， Qiu X. P.， Xi J.Y.， J. Membr. Sci.， 2016， 510， 18—26
38	Mohan V. B.， Jayaraman K.， Stamm M.， Bhattacharyya D.， Thin Solid Films， 2016， 616， 172—182
39	Hou M.， Hong X. H.， Tang Y. J.， Jin Z. M.， Zhu C. Y.， Tao C.， Wan J. M.， Dong Y. B.， Text. Res. J.， 2021， 91（19/20）， 2169—2183
40	Narayanan Kutty T. R.， Vasudeva Murthy A. R.， Z. Anorg. Allg. Chem.， 1970， 379（2）， 218—224
41	Zhu Y. H.， Zhu X. M.， Wang X. X.， Zhang X.， Zheng H. L.， Deng H. P.， Zhao C.， China Environ. Sci.， 2020， 40（3）， 1139—1145
	朱云华，朱轩墨，王旭旭，张轩，郑怀礼，邓慧萍，赵纯. 中国环境科学， 2020， 40（3）， 1139—1145

V(H₂SO₄)∶V(H₃PO₄)	Atom fraction（%）			C/O
V(H₂SO₄)∶V(H₃PO₄)	C	O	P	C/O
10∶0	63.38	28.2	—	2.24
9∶1	66.18	32.01	—	2.07
8∶2	66.63	31.68	0.55	2.10
5∶5	60.15	26.66	0.88	2.26
2∶8	83.79	13.78	1.38	6.08

V(H₂SO₄)∶V(H₃PO₄)	Atom fraction（%）			C/O
V(H₂SO₄)∶V(H₃PO₄)	C	O	P	C/O
10∶0	63.38	28.2	—	2.24
9∶1	66.18	32.01	—	2.07
8∶2	66.63	31.68	0.55	2.10
5∶5	60.15	26.66	0.88	2.26
2∶8	83.79	13.78	1.38	6.08

V（H₂SO₄）∶V（H₃PO₄）	10⁴ΔI_p/A	10²ΔE_p/V	I_pa/I_pc
10∶0	1.387	0.075	1.767
9∶1	2.847	0.083	1.714
8∶2	2.644	0.087	1.499
5∶5	3.243	0.091	1.581
2∶8	1.785	0.074	2.412

V（H₂SO₄）∶V（H₃PO₄）	10⁴ΔI_p/A	10²ΔE_p/V	I_pa/I_pc
10∶0	1.387	0.075	1.767
9∶1	2.847	0.083	1.714
8∶2	2.644	0.087	1.499
5∶5	3.243	0.091	1.581
2∶8	1.785	0.074	2.412

V（H₂SO₄）∶V（H₃PO₄）	R_s/（Ω·cm^-2）	R_ct/（Ω·cm^-2）
10∶0	2.506	44.31
9∶1	2.556	32.13
8∶2	2.447	38.11
5∶5	2.523	34.31
2∶8	2.306	28.90