[論文レビュー] On a novel nanomaterial based on graphene and POSS: GRAPOSS

Luca Valentini, Marta Cardinali+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2011

Silicone and Siloxane Chemistry参考文献 28被引用数 14

ひとこと要約

本論文では、グラフェンオキシド（GO）とアミノプロピル修飾ポリヘキサシロキサン（POSS-NH2）を組み合わせた新規ハイブリッドナノ材料、GRAPOSSを紹介する。著者らは、GOシートにPOSS-NH2をグリフトすることで、還元グラフェンオキシドの電気伝導度が回復することを実証し、ポリマー系ナノコンpositesおよび高度材料分野への応用が有望であることを示している。

ABSTRACT

A novel nanomaterial which consists of graphene sheets decorated with silsesquioxane molecoles has been developed. Indeed, aminopropyl-silsesquioxane (POSS-NH2) has been employed to functionalize graphene oxide sheets (GOs). The surface grafting of GOs with POSS-NH2 has been established by infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, while the morphology has been investigated by field emission electron microscopy as well as by atomic force microscopy. The combination of the amino functionalized POSS molecules with GO sheets produces a hybrid silicon/graphite-based nanomaterial, named GRAPOSS, for which the electrical conductivity of reduced GO was restored, thus allowing promising exploitations in several fields such as polymer nanocomposites.

研究の動機と目的

• アミノプロピルシルセスキオキサン（POSS-NH2）で機能化したグラフェンオキシドを用いて、新しいハイブリッドナノ材料を開発すること。
• POSS-NH2との共有結合グリフトを用いて、グラフェンオキシドの電気伝導度を向上させること。
• 得られたハイブリッド材料の構造的・形態的・電子的特性を同定すること。
• GRAPOSSと名付けられたハイブリッド材料がポリマー系ナノコンポジット分野に果たす可能性を評価すること。

提案手法

• 改変されたハムマーズ法を用いたグラフェンオキシド（GO）シートの合成。
• 共有結合グリフト法を用いたGOのアミノプロピルシルセスキオキサン（POSS-NH2）による機能化。
• FTIRを用いたGOとPOSS-NH2間の化学結合の確認。
• XPSを用いた表面元素組成および化学状態の分析。
• 顕微鏡的観察として、発光電子顕微鏡（FE-SEM）および原子間力顕微鏡（AFM）を用いた形態および表面トポグラフィーの調査。
• 還元GOの電気伝導度測定により、POSSグリフトの影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミノプロピル修飾POSSが、グラフェンオキシドシートに効果的にグリフト可能かどうか。
• RQ2 POSS-NH2のグリフトが、グラフェンオキシドの電気伝導度にどのように影響を与えるか。
• RQ3 得られたGRAPOSSハイブリッド材料の形態的および表面化学的特性は何か。
• RQ4 POSS機能化後、還元グラフェンオキシドの電気伝導度はどの程度回復するか。
• RQ5 GRAPOSSはポリマー系ナノコンポジット分野において、どのような応用が期待できるか。

主な発見

• FTIRおよびXPS分光法により、POSS-NH2がGOに共有結合でグリフトされたことが確認された。
• 発光電子顕微鏡および原子間力顕微鏡の観察から、GOシート表面に均一にPOSS-NH2クラスタが付着していることが明らかになった。
• POSS-NH2による機能化により、還元グラフェンオキシドの電気伝導度が効果的に回復した。
• シリコンを含むPOSSと炭素を含むグラフェンの相乗効果により、ハイブリッド材料であるGRAPOSSは、多様な機能性を有している。
• 界面相互作用の向上および電気的特性の回復により、ポリマー系ナノコンポジットへの応用が有望である。
• 本研究では、表面化学を精密に制御し、性能を向上させたグラフェンベースナノ材料を工業的スケールで設計する手法が示された。