Title (srp)

Синтеза и карактеризација течно ексфолираног графена за примену у детекцији влажности ваздуха : докторска дисертација

Author

Andrić, Stevan A., 1994-

Contributor

Nedić Vasiljević, Bojana, 1983-
Dobrota, Ana, 1981-
Gavrilov, Nemanja, 1983-
Jovanović, Zoran M.
Spasenović, Marko, 1990-

Description (srp)

Влажност ваздуха представља веома важан фактор за људско здравље и индустријске процесе,тако да су сензори за њено одређивање константно у фокусу научних истраживања. Главнипредмети проучавања су принципи мерења влажности ваздуха, односно претварања влажностиваздуха у електрични сигнал, као и различити материјали за детекцију молекула воде у ваздуху.У овој дисертацији је описан економичан и скалабилан начин израде танких слојева графена ииспитивана је њихова примена за детекцију водене паре. Материјали коришћени у оквиру оведокторске дисертације се у целокупном тексту називају графеном, уз назначене одређенеспецифичности у процесу њихове синтезе. Појам графена користи се у ширем смислу, односноније у питању идеални, једнослојни графен већ материјали сложеније структуре, са различитимдефектима, већим бројем слојева и кисеоничним група, као што ће бити приказано у наставку.Оваква структура материјала је и очекивана и у сагласности са одабраним начином синтезе.Графен коришћен за израду сензора је добијен из течне фазе, применом три различите методетечне ексфолијације. Коришћене су технике ултразвучног сонирања помоћу ултразвучне кадицеи ултразвучне сонде, као и електрохемијско раслојавање. Добијени раствори садрже слојевеодносно, љуспице графена које су дисперговане у растварачу N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP).Љуспице се из раствора преносе на чврсте подлоге методом Лангмир-Блоџет, која представљаједноставну и ефикасну технику за добијање графенских филмова димензија ≈ 1 cm × 1 cm. Истиметод је примењен за све три врсте дисперзије графена. Дебљина добијених графенских филмоваје у опсегу од ≈ 2 nm до ≈ 10 nm. Микроскопском карактеризацијом, методама микроскопијеатомских сила и скенирајућом електронском микроскопијом, је утврђена површинска расподелаграфенских љуспица на подлози. Латералне димензије љуспица се креће у опсегу од ≈ 100 nmдо ≈ 1500 nm и зависе од примењеног поступка ексфолијације. Применом фотоелектронскеспектроскопије X зрака и енергијски дисперзивне спектроскопије Х зрачења утврђен је хемијскисастав. Показано је да сва три коришћена филма имају удео кисеоника са најмање 17%, док јеудео угљеника већи од 70% и зависи од начина добијања. Одзив графенских филмова наприсуство водене паре је посматран праћењем промене електричне отпорности филмова,мерењем у конфигурацији са два или четири контакта. Испитивани графенски сензори реагујуна промене влажности ваздуха у опсегу од 10% до 90% релативне влажности, при чему је одзивлинеаран, а време одзива и опоравка веома кратко, у интервалу од ≈ 20 ms до ≈ 400 ms што ихчини погодним за праћење дисања и детекција прста где је одзив у реалном времену неопходан.Резултати праћења дисања јасно указују на могућност сензора да прати динамику дисања, попутбрзог, нормалног и спорог. Успешно је изведен и експеримент праћења удаљености прста, садетекцијом удаљености у реалном времену до максималних ≈ 10 mm од сензора.

Description (srp)

физичка хемија - физичка хемија материјала, наноматеријали / physical chemistry - physical chemistry of materials, nanomaterials Datum odbrane: 07.12.2023.

Description (eng)

Air humidity is a very important factor for human health and industrial processes. Therefore, sensors forits determination are constantly in the focus of scientific research. The main subjects of study are theprinciples of measuring air humidity, i.e. transducing humidity into an electrical signal, as well asdifferent materials for detecting water molecules in air. In this dissertation, an economical and scalablemethod of producing thin layers of graphene is described, as well as the application of those layers forwater vapor detection. Materials used in this doctoral dissertation are referred throughout the text asgraphene, with certain specificities that indicate the process of their synthesis. The term of graphene isused in a broader sense, it is not an ideal, single-layer graphene, but materials with a complex structure,with different defects, a great number of layers and oxygen groups, as will be shown below. The structureof this materials is expected and in compliance with the chosen method of synthesis. The graphene usedto make the sensors was obtained from the liquid phase, using three different methods of liquid-phaseexfoliation: ultrasound-assisted exfoliation in a bath and with a probe, as well as electrochemicalexfoliation. The obtained dispersions contain layers, i.e. flakes of graphene dispersed in the solvent NMethyl-2-pyrrolidone (NMP). The flakes are transferred from the dispersions to solid substrates usingthe Langmuir-Blodgett method, a simple and effective technique for obtaining graphene films withdimensions of ≈ 1 cm × 1 cm. The same method was applied for all three types of graphene dispersions.The thickness of the obtained graphene films ranges from ≈ 2 nm to ≈ 10 nm. The distribution of grapheneflakes on the substrate was determined by microscopic characterization with atomic force microscopyand scanning electron microscopy. The lateral dimensions of the flakes range from ≈ 100 nm to ≈ 1500nm and depend on the exfoliation procedure. The chemical composition was determined using X-rayphotoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. It was determined that all threetypes of films have an oxygen content of at least 17%, while the carbon content is greater than 70% anddepends on the method. The response of graphene films to the presence of water vapor was observed bymonitoring the change in electrical resistance of the films, measured in a configuration with two or fourcontacts. The graphene sensors react to changes in air humidity in the range from 10% to 90% relativehumidity, with a linear response and very short response and recovery timeс, in the interval from ≈ 20ms to ≈ 400 ms, which makes them suitable for breathing monitoring and finger proximity detection,where real-time response is essential. Breathing tracking clearly indicates the ability of the sensor to trackbreathing dynamics, such as fast, normal and slow. Finger proximity tracking experiments were alsosuccessfully performed, with real-time proximity detection up to a maximal distance of ≈ 10 mm fromthe sensor.

Object languages

Serbian

Date

2023

Rights

Creative Commons License
This work is licensed under a
CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Subject

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

графен, влажност ваздуха, сензори

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

graphene, relative humidity, sensors