Preview

Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки

Расширенный поиск

Влияние потенциала на кинетику электрохимической эксфолиации графита и свойства композитов на основе оксида графена, функционализированного анилином

https://doi.org/10.26907/2542-064X.2026.3.440-460

Аннотация

В работе представлен электрохимический подход к одностадийному получению оксида графена, функционализированного анилином. Оценено влияние потенциала эксфолиации в диапазоне 7.5–9.5 В на кинетические параметры интеркаляции ионов электролита в межслоевое пространство графита и его эксфолиации, а также на свойства полученного композитного материала. Показано, что введение гидросульфата анилина в состав электролита при потенциале эксфолиации 7.5 В приводит к возрастанию констант скорости интеркаляции ионов электролита в межслоевое пространство графита и его эксфолиации в 9 и 6 раз соответственно. При максимальном потенциале (9.5 В) эксфолиации наблюдается снижение выхода функционализированного оксида графена (ОГ) по сравнению с нефункционализированными образцами, что коррелирует со снижением содержания карбоксильных групп и увеличением содержания фенольных гидроксилов в структуре наноматериала. Методом циклической вольтамперометрии охарактеризованы свойства поверхности стеклоуглеродных электродов (СУЭ), модифицированных ОГ, функционализированным анилином, и выявлено снижение поверхностной концентрации редокс-активных групп и емкости двойного электрического слоя.

Об авторах

А. А. Ковалева
Тульский государственный университет
Россия

Алина Александровна Ковалева , младший научный сотрудник лаборатории экологической и медицинской биотехнологии

 г. Тула


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов



П. В. Оськин
Тульский государственный университет
Россия

Павел Владимирович Оськин , младший научный сотрудник лаборатории экологической и медицинской биотехнологии

 г. Тула


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов



Е. Д. Дмитриева
Тульский государственный университет
Россия

Елена Дмитриевна Дмитриева , доктор химических наук, доцент, профессор кафедры химии Естественно-научного института

 г. Тула


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов



С. В. Алферов
Тульский государственный университет
Россия

Сергей Валерьевич Алферов , кандидат химических наук, доцент, заведующий лабораторией экологической и медицинской биотехнологии

 г. Тула


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов



Список литературы

1. Stergiou A., Cantón-Vitoria R., Psarrou M.N., Economopoulos S.P., Tagmatarchis N. Functionalized graphene and targeted applications highlighting the road from chemistry to applications // Prog. Mater. Sci. 2020. V. 114. Art. 100683. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100683.

2. Donato K.Z., Tan H.L., Marangoni V.S., Martins M.V.S., Ng P.R., Costa M.C.F., Jain P., Lee S.J., Koon G.K.W., Donato R.K., Castro Neto A.H. Graphene oxide classification and standardization // Sci. Rep. 2023. V. 13, No 1. Art. 6064. https://doi.org/10.1038/s41598-023-33350-5.

3. Razaq A., Bibi F., Zheng X., Papadakis R., Jafri S.H.M., Li H. Review on graphene-, graphene oxide-, reduced graphene oxide-based flexible composites: From fabrication to applications // Materials. 2022. V. 15, No 3. Art. 1012. https://doi.org/10.3390/ma15031012.

4. Lei Y., Madalena L.D.S., Ossonon B.D., Junior F.E.B., Chen J., Lanza M.R.V., Tavares A.C. Onestep synthesis of aminobenzoic acid functionalized graphene oxide by electrochemical exfoliation of graphite for oxygen reduction to hydrogen peroxide and supercapacitors // Molecules. 2022. V. 27, No 21. Art. 7629. https://doi.org/10.3390/molecules27217629.

5. Oskin P., Kovaleva A., Mashkovich A., Fedina V., Dmitrieva E., Verma P., Alferov S. A novel approach to single-step graphene oxide functionalization for application in selective amperometric chemosensors // Microchem. J. 2025. V. 215. Art. 114546. https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.114546.

6. Ikram R., Jan B.M., Ahmad W. An overview of industrial scalable production of graphene oxide and analytical approaches for synthesis and characterization // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9, No 5. P. 11587–11610. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.08.050.

7. Edward I.I., Abdul Manaf N., Tahir Abdul Muthalib S.A., Musram Rakunman M.R., Tan L.S., Tsuji T. Synthesis of graphene oxide via electrochemical process: A short review towards flexible synthesis method // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2021. V. 1142, No 1. Art. 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1142/1/012019.

8. Ali I., Oskin P.V., Dyachkova T.P., Imanova G., Kovaleva A.A., Dmitrieva E.D., Alferov S.V., Kurniawan T.A., Messali M. Advances in one-step functionalization of graphene oxide during electrochemical graphite exfoliation // J. Mater. Sci. 2025. V. 60, No 31. P. 13156–13190. https://doi.org/10.1007/s10853-025-11177-x.

9. Guo Z., Chakraborty S., Monikh F.A., Varsou D.-D., Chetwynd A.J., Afantitis A., Lynch I., Zhang P. Surface functionalization of graphene-based materials: Biological behavior, toxicology, and safe-bydesign aspects // Adv. Biol. 2021. V. 5, No 9. Art. 2100637. https://doi.org/10.1002/adbi.202100637.

10. Кулакова И.И., Лисичкин Г.В. Химическое модифицирование графена // Журн. общ. химии. 2020. Т. 90, № 10. С. 1601–1626. https://doi.org/10.31857/S0044460X20100157.

11. Wypych G. (Ed.) Graphene: Important Results and Applications. Toronto: ChemTec Publ., 2024. 386 p. https://doi.org/10.1016/C2023-0-00630-6.

12. Munaiah Y., Ragupathy P., Pillai V.K. Single-step synthesis of halogenated graphene through electrochemical exfoliation and its utilization as electrodes for zinc bromine redox flow battery // J. Electrochem. Soc. 2016. V. 163, No 14. P. A2899–A2910. https://doi.org/10.1149/2.0321614jes.

13. Ossonon B.D., Bélanger D. Functionalization of graphene sheets by the diazonium chemistry during electrochemical exfoliation of graphite // Carbon. 2017. V. 111. P. 83–93. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.09.063.

14. Zhuo Y., Kinloch I.A., Bissett M.A. Simultaneous electrochemical exfoliation and chemical functionalization of graphene for supercapacitor electrodes // J. Electrochem. Soc. 2020. V. 167, No 11. Art. 110531. https://doi.org/10.1149/1945-7111/aba3ff.

15. Sahoo S.K., Behera A.K., Chandran R., Mallik A. Industrial scale synthesis of few-layer graphene nanosheets (FLGNSs): An exploration of electrochemical exfoliation approach // J. Appl. Electrochem. 2020. V. 50, No 6. P. 673–688. https://doi.org/10.1007/s10800-020-01422-3.

16. Sahoo S.K., Ratha S., Rout C.S., Mallik A. Physicochemical properties and supercapacitor behavior of electrochemically synthesized few layered graphene nanosheets // J. Solid State Electrochem. 2016. V. 20, No 12. P. 3415–3428. https://doi.org/10.1007/s10008-016-3304-6.

17. Calabuig-Mompó S., Cazorla-Amorós D., Morallón E. Unveiling graphite anodic expansion: Insights from electrochemical techniques, mass spectrometry, and kinetic modeling // Carbon. 2024. V. 230. Art. 119635. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119635.

18. Shamrikova E.V., Vanchikova E.V., Kyzyurova E.V., Zhangurov E.V. Methods for measuring organic carbon content in carbonate-containing soils: A review // Eurasian Soil Sci. 2024. V. 57, No 3. P. 380–394. https://doi.org/10.1134/S1064229323603104.

19. Nikolaeva T.N., Lapshin P.V., Zagoskina N.V. Method for determining the total content of phenolic compounds in plant extracts with Folin–Denis reagent and Folin–Ciocalteu reagent: Modification and comparison // Russ. J. Bioorg. Chem. 2022. V. 48, No 7. P. 1519–1525. https://doi.org/10.1134/S1068162022070214.

20. Alkawareek M.Y., Akkelah B.M., Mansour S.M., Amro H.M., Abulateefeh S.R., Alkilany A.M. Simple experiment to determine surfactant critical micelle concentrations using contact-angle measurements // J. Chem. Educ. 2018. V. 95, No 12. P. 2227–2232. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00276.

21. Michałowski T., Toporek M., Rymanowski M. Overview on the Gran and other linearisation methods applied in titrimetric analyses // Talanta. 2005. V. 65, No 5. P. 1241–1253. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2004.08.053.

22. Hubbard A.T. Study of the kinetics of electrochemical reactions by thin-layer voltammetry: I. Theory // J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1969. V. 22, No 2. P. 165–174. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(69)80247-0.

23. Liu W.-W., Aziz A. Review on the effects of electrochemical exfoliation parameters on the yield of graphene oxide // ACS Omega. 2022. V. 7, No 38. P. 33719–33731. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c04099.

24. Guo Y., Li Y., Wei W., Su J., Li J., Shang Y., Wang Y., Xu X., Hui D., Zhou Z. Mechanism for the intercalation of aniline cations into the interlayers of graphite // Nanomaterials. 2022. V. 12, No 14. Art. 2486. https://doi.org/10.3390/nano12142486.

25. Guo S., Garaj S., Bianco A., Ménard-Moyon C. Controlling covalent chemistry on graphene oxide // Nat. Rev. Phys. 2022. V. 4, No 4. P. 247–262. https://doi.org/10.1038/s42254-022-00422-w.

26. Mezhuev Y.O., Korshak Y.V., Shtilman M.I. Oxidative polymerization of aromatic amines: Kinetic features and possible mechanisms // Russ. Chem. Rev. 2017. V. 86, No 12. P. 1271–1285. https://doi.org/10.1070/RCR4755.

27. Levi M.D., Markevich E., Wang C., Aurbach D. Chronoamperometric measurements and modeling of nucleation and growth, and moving boundary stages during electrochemical lithiation of graphite electrode // J. Electroanal. Chem. 2007. V. 600, No 1. P. 13–22. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2005.11.037.

28. Huang K.-C., Couttenye R.A., Hoag G.E. Kinetics of heat-assisted persulfate oxidation of methyl tert -butyl ether (MTBE) // Chemosphere. 2002. V. 49, No 4. P. 413–420. https://doi.org/10.1016/S0045-6535(02)00330-2.

29. Abdolkarimi-Mahabadi M., Bayat A., Mohammadi A. Use of UV-Vis spectrophotometry for characterization of carbon nanostructures: A review // Theor. Exp. Chem. 2021. V. 57, No 3. P. 191–198. https://doi.org/10.1007/s11237-021-09687-1.

30. Mustafin A.G., Latypova L.R., Andriianova A.N., Mullagaliev I.N., Salikhov S.M., Salikhov R.B., Usmanova G.S. Polymerization of new aniline derivatives: Synthesis, characterization and application as sensors // RSC Adv. 2021. V. 11, No 34. P. 21006–21016. https://doi.org/10.1039/d1ra02474d.

31. Sahin M., Özcan L., Özcan A., Usta B., Sahin Y., Pekmez K. The substituent effects on the structure and surface morphology of polyaniline // J. Appl. Polym. Sci. 2010. V. 115, No 5. P. 3024–3030. https://doi.org/10.1002/app.30905.

32. Bhadra S., Singha N.K., Khastgir D. Effect of aromatic substitution in aniline on the properties of polyaniline // Eur. Polym. J . 2008. V. 44, No 6. P. 1763–1770. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2008.03.010.

33. Nissanka B., Kottegoda N., Jayasundara D.R. Probing structural variations of graphene oxide and reduced graphene oxide using methylene blue adsorption method // J. Mater. Sci. 2020. V. 55, No 5. P. 1996–2005. https://doi.org/10.1007/s10853-019-04087-2.

34. Дьячкова T.П., Хан Ю.A., Орлова Н.В., Кондрашов С.В. Окисление многослойных углеродных нанотрубок в парах перекиси водорода: закономерности и эффекты // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2016. Т. 22, № 2. С. 323–333. https://doi.org/10.17277/vestnik.2016.02.pp.323-333.

35. Li Z., Deng L., Kinloch I.A., Young R.J. Raman spectroscopy of carbon materials and their composites: Graphene, nanotubes and fibres // Prog. Mater. Sci. 2023. V. 135. Art. 101089. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101089.

36. Bonpua J., Yagües Y., Aleshin A., Dasappa S., Camacho J. Flame temperature effect on sp[2] bonds on nascent carbon nanoparticles formed in premixed flames ( T f, max > 2100 K): A Raman spectroscopy and particle mobility sizing study // Proc. Combust. Inst. 2019. V. 37, No 1. P. 943–951. https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.06.124.

37. Lucchese M.M., Stavale F., Ferreira E.H.M., Vilani C., Moutinho M.V.O., Capaz R.B., Achete C.A., Jorio A. Quantifying ion-induced defects and Raman relaxation length in graphene // Carbon. 2010. V. 48, No 5. P. 1592–1597. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.12.057.

38. Mruthunjaya A.K.V., Torriero A.A.J. Mechanistic aspects of the electrochemical oxidation of aliphatic amines and aniline derivatives // Molecules. 2023. V. 28, No 2. Art. 471. https://doi.org/10.3390/molecules28020471.

39. Munuera J.M., Paredes J.I., Villar-Rodil S., Ayán-Varela M., Martínez-Alonso A., Tascón J.M.D. Electrolytic exfoliation of graphite in water with multifunctional electrolytes: En route towards high quality, oxide-free graphene flakes // Nanoscale. 2016. V. 8, No 5. P. 2982–2998. https://doi.org/10.1039/c5nr06882g.

40. Park H.W., Roh K.C. Recent advances in and perspectives on pseudocapacitive materials for supercapacitors–A review // J. Power Sources. 2023. V. 557. Art. 232558. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232558.

41. Krayz G.T., Bittner S., Dhiman A., Becker J.Y. Electrochemistry of quinones with respect to their role in biomedical chemistry // Chem. Rec. 2021. V. 21, No 9. P. 2332–2343. https://doi.org/10.1002/tcr.202100069.

42. Destiarti L., Riyanto R., Roto R., Mudasir M. Electrolyte effect in electrochemical exfoliation of graphite // Mater. Chem. Phys. 2023. V. 302. Art. 127713. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.127713.


Рецензия

Для цитирования:


Ковалева А.А., Оськин П.В., Дмитриева Е.Д., Алферов С.В. Влияние потенциала на кинетику электрохимической эксфолиации графита и свойства композитов на основе оксида графена, функционализированного анилином. Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. 2026;168(3):440-460. https://doi.org/10.26907/2542-064X.2026.3.440-460

For citation:


Kovaleva A.A., Oskin P.V., Dmitrieva E.D., Alferov S.V. Effect of potential on the kinetics of electrochemical graphite exfoliation and the properties of composites based on aniline-functionalized graphene oxide. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta Seriya Estestvennye Nauki. 2026;168(3):440-460. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2542-064X.2026.3.440-460

Просмотров: 101

JATS XML


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-064X (Print)
ISSN 2500-218X (Online)