[논문 리뷰] Thermal stability and optoelectronic behavior of polyaniline/GNP (graphene nanoplatelets) nanocomposites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 14.

Conducting polymers and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 암모늄 퍼서르파이트를 산화제로 사용하여 인 situ 산화중합을 통해 폴리아닐린/그래핀 나노플레이트렛(PANI-GNP) 나노복합체를 합성하여 열적 안정성 향상과 조절 가능한 광전자 특성을 입증하였다. 주요 결과로는 GNP 함량이 증가함에 따라(최대 15 wt%) 금속간 밴드 갭 감소와 열분해 저항성 향상이 관찰되어 PANI-GNP가 고급 광전자 응용 분야 잠재력을 지닌다는 것을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고급 전자 응용을 위한 향상된 열적 및 광전자 특성을 지닌 PANI-GNP 나노복합체 개발.
• 폴리아닐린의 구조적 및 기능적 특성에 미치는 다양한 GNP 함량(5, 10, 15 wt%)의 영향 조사.
• 화학적 및 미세구조 분석을 통해 폴리아닐린과 그래핀 나노플레이트렛 간의 인터페이스 상호작용 평가.
• 광전자 응용 적합성을 위한 PANI-GNP 복합체의 열적 안정성 및 밴드 갭 조절 평가.
• 전기적, 광학적, 열적 특성에서 성능을 최대화하기 위한 최적의 GNP 적재량 도출

제안 방법

• 암모늄 퍼서르파이트(APS)를 산화제로 사용하여 안일린의 인 situ 산화중합을 통해 PANI-GNP 나노복합체 합성.
• 폴리아닐린 대비 5, 10, 15 wt%의 GNP 적재량을 변화시켜 농도 의존성 영향 연구.
• 화학 결합 및 GNP 표면에 균일한 PANI 코팅을 확인하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 라만 분광법 수행.
• 표면 미세구조 및 결정성을 분석하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)과 X선 회절(XRD) 사용.
• 광학 밴드 갭을 결정하고 광전자 적합성을 평가하기 위해 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis) 수행.
• 열적 안정성 및 열분해 거동 평가를 위해 열중량 분석(TGA) 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 나노플레이트렛(GNP)의 도입은 폴리아닐린의 열적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 GNP 함량의 변화는 PANI-GNP 나노복합체에서 폴리아닐린의 광학 밴드 갭에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 FTIR 및 라만 분광법으로 확인된 폴리아닐린과 GNP 간의 균일성과 인터페이스 상호작용 정도는 어떠한가?
• RQ4 GNP 함량은 나노복합체의 결정성과 표면 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 통제된 GNP 적재량을 통해 PANI-GNP 나노복합체를 광전자 성능 향상을 위해 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• TGA 분석을 통해 GNP 함량이 높을수록 PANI의 열적 안정성이 향상되어 열분해에 대한 저항성이 향상됨을 확인하였다.
• UV-Vis 분광법을 통해 순수 PANI에 비해 PANI-GNP 복합체의 밴드 갭이 감소한 것으로 나타나 광전자 응용 가능성 향상됨을 입증하였다.
• FTIR 및 라만 분광법을 통해 폴리아닐린이 그래핀 나노플레이트렛에 성공적이고 균일하게 코팅되었음을 확인하였다.
• SEM 영상 및 XRD 패턴을 통해 GNP 함량 증가에 따라 중합 품질 향상과 결정성의 제어 가능성이 높아짐을 확인하였다.
• 15 wt% GNP 복합체가 열적 안정성 향상과 밴드 갭 감소의 가장 유리한 조합을 보였음.
• 본 연구는 GNP가 PANI의 미세구조적, 전기적, 광학적, 열적 특성 향상에 효과적인 필러로 작용함을 확인하였다.