Design of a novel electrochemical cell for electrochemical exfoliation of graphite into graphene

Abstract

El enfoque de exfoliación electroquímica se ha convertido recientemente en uno de los métodos de producción de grafeno más estudiados y mejorados debido a varias ventajas, como su configuración simple, su naturaleza sostenible debido al uso de productos químicos menos peligrosos, o los bajos costos relacionados con el proceso. De hecho, la investigación de los últimos años ha permitido al usuario controlar el grosor del producto. El objetivo de este proyecto es desarrollar una nueva celda electroquímica rentable para producir grafeno a partir de grafito. Además, el alcance general intenta abordar una de las principales limitaciones del proceso de exfoliación electroquímica, que es la necesidad de un grafito monolítico para lograr con éxito la exfoliación del material. De ahí que se propongan e incorporen diferentes diseños para determinar si son adecuados o no para esta tarea. Además, se desarrolla un estudio de parámetros de proceso para comprender las implicaciones que las condiciones específicas tienen sobre el grafeno producido. En los diferentes diseños se introducen variaciones en la concentración de electrolitos, en el voltaje aplicado y en la duración del proceso de intercalación que se de previamente a la exfoliación. De la caracterización del óxido de grafeno realizada mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectrometría Raman, se concluye que los procesos propuestos producen óxido de grafeno multicapa de baja calidad. Sin embargo, estos enfoques novedosos conforman la base para futuras investigaciones en esta área.

Electrochemical exfoliation approach has recently become one of the most studied and improved graphene production methods due to several advantages, such as its simple required set-up, its environmentally friendly nature originated by the use of less hazardous chemicals, or the process’ related low costs. Even more, last years’ research has allowed the user capacity to control the product thickness. The objective of this project is to develop a cost-effective novel electrochemical cell to produce graphene from graphite. Furthermore, the general scope tries to address one of the main limitations of the electrochemical exfoliation process, which is the necessity of a monolithic graphite to successfully achieve the material exfoliation. Hence, different designs are proposed and built-in order to determine whether or not they are suitable for this task. In addition, a process parameter study is developed to understand the implications that the specific conditions have over the produced graphene. Variations in the electrolyte concentration, in the applied voltage bias and in the pre-exfoliation intercalation process duration are introduced in the different designs. From the graphene oxide characterization carried out using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectrometry, it is concluded that the proposed processes produce low quality multi-layer graphene oxide. Nevertheless, these novel approaches conform the basis for further research in this area.