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Martin Pfaffeneder-Kmen – Die Elektrochemische Reduktion von Graphenoxidbeschichtungen: Darstellung und mechanistische Studie mittels elektrochemischer in-situ-Methoden

Graphenoxid (GO) wurde ursprünglich als möglicher Kandidat zur kostengünstigen Produktion von Graphen propagiert.1 Es wird durch die chemische Oxidation von Graphit synthetisiert und besitzt durch Sauerstoffgruppen innerhalb der einzelnen Nanosheets hydrophile Eigenschaften, wodurch es in Wasser löslich ist und einfach in Singlesheets getrennt werden kann. Bald wurde erkannt, dass GO eine reiche und spannende Elektro-chemie aufweist und dessen Derivate, die in reduzierter Form oft als reduziertes Graphen-oxid (rGO) bezeichnet werden, nützlich zur Entwicklung von Sensoren und elektronischen Bauteilen sein können.2–4

Wir sind in unserer Gruppe u. a. an der elektrochemischen Modifizierung solcher Beschich-tung interessiert und möchten den Mechanismus dahinter besser verstehen und beschrei-ben. Dazu wurden in-situ FTIR Spektren aufgenommen. Ein speziell für die Studie der elektrochemischen Reduktion von GO entwickeltes neuartiges ATR-Element, auf welchem ein Goldgitter aufgedampft wurde, stellte sicher, dass die Messanordnung möglichst robust und sensitiv ist.

Spezielle mathematische Auswertealgorithmen wie die multivariate Kurvenanalyse ermöglichten eine genaue und reproduzierbare Trennung der einzelnen Banden und die Interpretation der Spektren. Es zeigte sich, dass die Reduktion in zwei Schritten erfolgt, wobei zunächst C=O Bindungen reduziert werden und danach C-O Bindungen reduziert, sowie konjungierte sp2-hybridisierte Bereiche gebildet werden.

 Ein Spincoatingprozess wurde optimiert, um homogene GO Filme von wenigen Nanometern zu produzieren. Diese wurden mit einem Scanning Electrochemical Microscope (SECM) elektrochemisch reduziert. Da GO selbst ein Isolator ist und rGO elektrischen Strom leitet, bilden sich an der Spitze der Mikroelektrode des SECM, welche die Beschichtung berührt, reduzierte Bereiche, welche innerhalb der GO Beschichtung kreisförmig wachsen. Man konnte dadurch die Größe dieser rGO Flächen kontrollieren und das gleiche Prinzip verwenden, um leitfähige und optisch transparente Beschichtung auf isolierenden Materialien wie Glas herzustellen. Diese Beschichtungen wurden mit verschiedenen Methoden wie einem FTIR-Mikroskop, einem Raman-Mikroskop und einem Atomic Force Microscope charakterisiert.

1. Guo, H., Wang, X., Qian, Q., Wang, F. & Xia, X. A Green Approach to the Synthesis of Graphene Nanosheets. ACS Nano 3, 2653–2659 (2009).

2.Toh, S. Y., Loh, K. S., Kamarudin, S. K. & Daud, W. R. W. Graphene production via electrochemical reduction of graphene oxide: Synthesis and characterisation. Chem. Eng. J. 251, 422–434 (2014).

3. Ambrosi, A., Chua, C. K., Bonanni, A. & Pumera, M. Electrochemistry of graphene and related materials. Chem. Rev. 114, 7150–7188 (2014).

4. Pfaffeneder-Kmen, M., Bausch, F., Trettenhahn, G. & Kautek, W. An in situ FTIR and in situ QMB study of the Electrochemistry of Graphene Oxide on Platinum. J. Phys. Chem. C 120, 15563–15568 (2016).