Хімічні перетворення сполук сірки при синтезі терморозширеного графіту з бісульфату графіту за даними РФС

D. B. Nasiedkin; I. V. Babich; Yu. V. Plyuto

D. B. Nasiedkin Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
I. V. Babich Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
Yu. V. Plyuto Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України

Анотація

Методом РФС досліджена хімічна природа та концентрація функціональних груп на поверхні природного графіту під час синтезу терморозширеного графіту (ТРГ) шляхом інтеркалювання H₂SO₄ в присутності H₂O₂ як окисника. В РФ спектрах ідентифіковані спиртові та фенольні (С−О), кетонні (С=О), етерні (О−С−О), естерні та карбоксильні (О=С−О) функціональні групи в області енергій зв’язку C1s (296−280 еВ) та O1s (540−526 еВ). РФ спектри в області енергій зв’язку S2p (175−160 еВ) свідчать про наявність тіофенних та тіольних (С–S–С, С–SH), сульфонних та сульфоксидних (>S=O, O=S=O) і сульфітних та сульфатних (HSO₃^-, HSO₄^-) функціональних груп. В результаті інтеркалювання природного графіту кількість кисню в зразку зростає з 1,49 до 13,21% ат., сірки з 0,02 до 0,61% ат., а після терморозширення зменшується відповідно до 1,08 та 0,03% ат. Встановлено, що концентрація присутньої в ТРГ сірки обумовлена переважно її кількістю в природному графіті, а інтеркалювання практично не позначається на хімічному складі поверхні та природі функціональних груп синтезованого ТРГ.

Посилання

Pierson H.O. Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: properties, processing and applications. – Albuquerque, New Mexico: Noyes Pub., 1993. – 402 p.

Chen G., Weng W., Wu D. Preparation and characterization of graphite nanosheets from ultrasonic powdering technique // Carbon. – 2004. – V. 42, N 4. – P. 753–759.

Chen G., Wu D., Weng W., Wu C. Exfoliation of graphite flake and its nanocomposites // Letters to the Editor. Carbon. – 2003. – V. 41, N 3. – P.619–621.

Radovic L.R. Chemistry and Physics of Carbon, V. 29. – New York: Marcel Dekker, 2004. – 430 p.

Chen G., Wu C., Weng W. Preparation of polystyrene/graphite nanosheet composite // Polymer. – 2003. – V. 44, N 6. – P. 1781–1784.

Characterization of porous solids: proceedings of the IUPAC symposium (COPS I), Bad Soden a.Ts., F.R.G., April 26-29, 1987 / Ed. by K.K. Unger – Stud. Surf. Sci. Catal. – 1988. – V. 39. – 645 p.

Kuan Ch.-F., Yen W.-H., Chen Ch.-H. Synthesis, characterization, flame retardance and thermal properties of halogen-free expandable graphite/PMMA composites prepared from sol–gel method // Polymer Degradation and Stability. – 2008. – V. 93, N 7. – P. 1357–1363.

Camino G., Duquesne S., Delobel R. Mechanism of expandable graphite fire retardant action in polyurethanes // Fires and polymers: materials and solutions for hazard prevention / G.L. Nelson, C.A. Wilkie (eds.). – Washington: ACS Publishers, 2001. – P. 90–109.

Kuznetsov B.N., Chesnokov N.V., Mikova N.M. Texture and catalytic properties of palladium supported on thermally expanded natural graphite // React. Kinet. Catal. Lett. – 2003. – V. 80, N 2. – P. 345–350.

Kuznetsov B.N. Carbon suppors from natural organic materials and carbon-supported palladium catalysts // Kinet. and Catal. – 2007. – V. 48, N 4. – P. 573–580.

Auer E., Freund A., Pietsch J., Tacke T. Carbons as supports for industrial precious metal catalysts // Appl. Catal. A. – 1998. – V. 173, N 2. – P. 259–271.

Hagen J. Industrial Catalysis. A Practical Approach. – Weinheim: Wiley, 2006. – 507 p.

Таланов В.С., Мележик А.В., Чуйко А.А. Рентгенофотоелектронное исследование поверхности расширенного и способного к расширению графита // Теорет. и эксперим. химия. – 1992. – Т. 28, № 4. – С. 350–354.

Sydorenko I.G., Datsyuk A.M., Zagorovskiy G.M. Effect of method for thermoexfoliated graphite preparation on electrochemical reduction of molecular oxygen // Carbon. – 2010. – V. 48, N 9. – P. 2487–2492.

Wagner C.D., Riggs W.H., Davis L.E, Moulder J.F. A Reference book of standard data for use in X-ray hotoelectron Spectroscopy. – Eden-Prairie, Minnesota: Perkin Elmer Corp. – 1979. – 190 p.

Moulder J.F., Sticle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. – Eden-Prairie, Minnesota: Perkin-Elmer Corporation. – 1992. – 261 p.

Rosenthal D., Ruta M., Schlögl R., Kiwi-Minsker L. Combined XPS and TPD study of oxygen-functionalized carbon nanofibers grown on sintered metal fibers // Carbon. – 2010. – V. 48, N 6. – P. 1835–1843.

Albers P., Karl A., Mathias J. INS-, XPS- and SIMS-investigations on the controlled post-oxidation of pigment blacks: Detection of different species of strongly adsorbed water // Carbon. – 2001. – V. 39, N 13. – P. 1663–1676.

Laszlo K., Szucs A. Surface characterization of polyethyleneterephthalate (PET) based activated carbon and the effect of pH on its adsorption capacity from aqueous phenol and 2,3,4-trichlorophenol solutions // Carbon. – 2001. – V. 39, N13. – P. 1945–1954.

Okpalugo T.I.T., Papakonstantinou P., Murphy H. High resolution XPS characterization of chemical functionalised MWCNTs and SWCNTs // Carbon. – 2005. – V. 43, N 1. – P. 153–161.

Shen W., Li Zh. Liu Yi. Surface chemical functional groups modification of porous carbon // Recent Patents on Chemical Engineering. – 2008. – V. 1, N 1. – P. 27–40.

Lakshminarayanan P.V. , H. Toghiani, Pittman Ch. U., Jr. Nitric acid oxidation of vapor grown carbon nanofibers // Carbon. – 2004. – V. 42, N 12–13. – P. 2433–2442.

Burg P., Fydrych P., Cagniant D. The characterization of nitrogen-enriched activated carbons by IR, XPS and LSER methods // Carbon. – 2002. – V. 40, N 9. – P. 1521–1531.

Swiatkowski A., Pakula M., Biniak S. Influence of the surface chemistry of modified activated carbon on its electrochemical behaviour in the presence of lead (II) ions // Carbon. – 2004. – V. 42, N 15. – P. 3057–3069.

Clark D.T., Thomas H.R. Application of ESCA to polymer chemistry X. Core and valence energy levels of a series of polyacrylates // J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. – 1976. – V. 14. – P. 1671–1700.

Beamson G., Briggs D. High Resolution XPS of Organic Polymers. The Scienta ESCA300 Database. – West Sussex: Wiley. – 1992. – 295 p.

Perry D.L., Grint A. Application of XPS to coal characterization // Fuel. – 1983. – V. 62. – P. 1024–1033.

Kelemen S.R., George G.N., Gorbaty M.L. Direct determination and quantification of sulphur forms in heavy petroleum and coals: 1. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) approach // Fuel. – 1990. – V. 69. – P. 939– 944.

Fiedler R., Bendler D. ESCA investigations on Schleenhain lignite lithotypes and the hydrogenation residues // Fuel. – V. 71. N4. – 1992. – P. 381–388.

Kozłowski M. XPS study of reductively and non-reductively modiﬁed coals // Fuel. – 2004. – V. 83. – P. 259–265.

Yi Hu, Niansu Hu, Peisheng Li. Characteristic and evolution of sulfur functionalities in coal and sewage sludge during combustion // Challenges of Power Engineering and Environment. – 2007. – V. 3. – P. 169–173.

Marinov S.P., Tyuliev G., Stefanova M. Low rank coals sulphur functionality study by AP-TPR/TPO coupled with MS and potentiometric detection and by XPS. // Fuel Processing Technol. – 2004. – V. 85. – P. 267–277.

Wagner C.D., Davis L.E., Zeller M.V. Empirical atomic sensitivity factors for quantitative analysis by electron spectroscopy for chemical analysis // Surface and Interface Analysis. – V. 3, N 5. – 1981. – P. 211–225.