[論文レビュー] Thermal stability and optoelectronic behavior of polyaniline/GNP (graphene nanoplatelets) nanocomposites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Conducting polymers and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、アミウム persulfate を酸化剤として用いた in situ 酸化重合により、ポリアニリン/グラフェンナノプレートレット（PANI-GNP）ナノコンポジットを合成し、熱安定性の向上と可変性のある光・電気特性を示した。主な結果として、GNP含有量が増加するにつれて（最大15 wt%まで）、バンドギャップが低下し、熱劣化抵抗性が向上しており、PANI-GNPが高度な光・電気デバイス応用に適していることが確認された。

ABSTRACT

Polyaniline and graphene nanoplatelets (PANI-GNP) nanocomposites are synthesized by in situ oxidative polymerization of polyaniline using an oxidizing agent, ammonium peroxy disulphate (APS). The mass of GNP in the nanocomposites varied by 5, 10, and 15 wt% compared to PANI. The synthesized polyaniline coated graphene nanoplatelets (PANI-GNP) nanocomposites are chemically characterized and using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, Scanning electron microscopy (SEM), UV-Vis spectroscopy, and X-ray diffraction analysis (XRD). FTIR and Raman spectroscopy analysis confirmed the uniform coating of polyaniline on GNP. The SEM micrograph and XRD pattern demonstrate the polymerization quality and crystallization degree of samples. UV-Vis analysis showed a decrease in the bandgap of polyaniline, which confirms that nanocomposites are more suitable for optoelectronic application because of variation in the bandgap. TGA analysis showed the thermal stability of PANI is increased with the increased mass of GNP. This study suggests the potential of GNP as a filler for efficient modification in the morphological, electrical, optical, and thermal properties of PANI.

研究の動機と目的

• 高度な電子応用を想定した、熱的および光・電気的特性が向上したPANI-GNPナノコンポジットの開発。
• PANIの構造的および機能的特性に及ぼす、GNP含有量（5、10、15 wt%）の変動の影響を調査すること。
• 化学的および形態的特性評価を通じて、ポリアニリンとグラフェンナノプレートレットの界面相互作用を評価すること。
• 光・電気デバイス用途に適した、PANI-GNPコンポジットの熱安定性およびバンドギャップの制御可能性を評価すること。
• 電気的、光学的、熱的特性の性能を最大化する最適なGNP含有量を特定すること。

提案手法

• アミウム persulfate（APS）を酸化剤として用いた、アニリンの in situ 酸化重合によりPANI-GNPナノコンポジットを合成した。
• ポリアニリンに対する相対的なGNP含有量を5、10、15 wt%に変化させ、濃度依存効果を調査した。
• 化学結合の確認およびGNP表面へのPANIの均一被膜形成を確認するため、フルーリエ変換赤外分光法（FTIR）およびラマン分光法を実施した。
• 表面形態および結晶性を分析するため、走査型電子顕微鏡（SEM）およびX線回折（XRD）を用いた。
• 光学的バンドギャップの決定および光・電気的適合性の評価のため、紫外可視分光法を実施した。
• 熱安定性および劣化挙動の評価のため、 thermogravimetric analysis（TGA）を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンナノプレートレット（GNP）の導入は、ポリアニリンの熱安定性にどのように影響するか？
• RQ2 GNP含有量の変化が、PANI-GNPナノコンポジットにおけるポリアニリンの光学的バンドギャップにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 FTIRおよびラマン分光法によって確認された、ポリアニリンとGNP間の均一性および界面相互作用の程度はいかほどか？
• RQ4 GNP含有量の変化が、ナノコンポジットの結晶性および表面形態にどのように影響するか？
• RQ5 制御されたGNP含有量を用いることで、PANI-GNPナノコンポジットを光・電気的性能の向上に適合させることは可能か？

主な発見

• TGA分析により、GNP含有量が増加するにつれてPANIの熱安定性が向上し、熱劣化に対する抵抗性が向上していることが確認された。
• UV-Vis分光法により、純粋なPANIに比べてPANI-GNPコンポジットのバンドギャップが低下していることが判明し、光・電気的応用への適合性が向上していることが示された。
• FTIRおよびラマン分光法により、ポリアニリンがグラフェンナノプレートレットに効果的かつ均一に被膜形成されていることが確認された。
• SEM画像およびXRDパターンにより、GNP含有量の増加に伴い、重合品質の向上および結晶性の制御が図られていることが示された。
• 15 wt% GNP含有コンポジットが、熱安定性とバンドギャップの低下の両面で最も望ましい特性を示した。
• 本研究では、GNPがPANIの形態的、電気的、光学的、熱的特性の多機能的向上に効果的なフィラーとして機能することが確認された。