Graphene oxide: reduction, doping, actuation, and stacking anisotropy

Abstract

"Graphene oxide: reduction, doping, actuation, and stacking anisotropy. Keywords: mechanochemical reduction, self-electrostatic repulsion, and GO sheets ordering. Graphene oxide (GO) is a wrinkled two-dimensional structure with a basal plane and peripheries conformed from a carbon sheet with various oxygenated groups and a thickness around 1 nm but lateral dimension between hundred microns and few nanometers. In this thesis, I will show results about mechanochemical reduction and nitrogen/sulfur doping, the self-electrostatic actuation of Kirigami GO films, and the stacking anisotropy of GO sheets at films. Firstly, we obtain reduced graphene oxide (rGO) doped with nitrogen/sulfur by High Energy Ball (HEBM) methodology due to their low cost, easy method, and environmentally friendly. We achieved for the first time in dry conditions mechanochemical doping/reduction employing water soluble urea and thiourea molecules with GO films. The results were compared with graphite and differences were explained in terms of morphology, graphitization quality, crystallinity, thermal stability, and chemical composition. In the second part of the thesis, GO films with Kirigami cuts were tested as actuators driven by electrostatic stimuli. Then, for the first time the self-electrostatic repulsion actuation of GO kirigami films was studied. The results show a spring-like mechanical response under the electrostatic actuation and the actuation mechanism is proposed to be originated by electrostatic repulsion of accumulated charges at the edges within the GO kirigami. Further, the mechanic properties of the kirigami GO films were studied where stiffness regimes and spring-like constants were quantified. Finally, results about stacking anisotropy of graphene oxide sheets, micro and mesostructure of GO films prepared by casting were studied employing X-ray scattering and polarized light optical microscopy. We obtain for the first-time evidence of stacking anisotropy at GO pouring films and memory evidence at GO dispersions that can be reoriented by shearing cast dispersion. The anisotropic ratio of GO sheets was quantified by their diffraction peaks and the relationship for the studied GO films were contrasted in a short, middle, and long range of stacking anisotropy depending on their mesostructured morphology."

"El óxido de grafeno (GO) es una estructura bidimensional arrugada en el plano basal conformado a partir de una hoja tipo grafeno con varios grupos oxigenados y un espesor en torno a 1 nm. La dimensión lateral del GO considerado como material 2D tiene al menos cien micrones. En esta tesis, mostraré los resultados sobre la reducción mecanoquímica y el dopado con nitrógeno/azufre, la actuación electrostática de los papeles Kirigami de GO y la anisotropía de apilamiento en los papeles de GO. En el capítulo 2, obtenemos óxido de grafeno reducido (rGO) dopado con nitrógeno/azufre mediante la metodología molienda de bolas por alta energía (HEBM por sus siglas en inglés). Logramos por primera vez en condiciones de molienda en seco el dopaje/reducción mecanoquímico empleando moléculas de urea y tiourea mezcladas con películas GO. Los resultados de la molienda compararon con el precursor de grafito y se explicaron las diferencias en términos de morfología, calidad de grafitización, cristalinidad, estabilidad térmica y composición química. En el capítulo 3, papeles de GO con cortes de kirigami son estudiados como actuadores mediante estímulos electrostáticos. Por primera vez se presenta la actuación de repulsión electrostática de los papeles GO kirigami. Los resultados muestran una respuesta mecánica similar a un resorte cuando está en actuación electrostática. Se propone que el mecanismo de actuación se origina por la repulsión electrostática de cargas acumuladas en los bordes dentro del papel GO kirigami. Además, se estudiaron las propiedades mecánicas de los papeles de kirigami GO donde se cuantificaron los regímenes de rigidez y las constantes de resorte. Finalmente, en el capítulo 4, se estudió sobre la anisotropía de apilamiento de láminas de óxido de grafeno en su meso-estructura y en películas de GO preparadas por disposición de vertido empleando microscopía óptica de dispersión de rayos X y luz polarizada. Obtenemos por primera vez evidencia de anisotropía de apilamiento en películas de vertido de GO y evidencia de memoria en dispersiones de GO que se pueden reorientar por la fuera de esfuerzo de corte en la solución de GO. La relación anisotrópica de las hojas de GO se cuantificó y la relación de las películas de GO estudiadas se contrastó en un rango corto, medio y largo de anisotropía de apilamiento en función de su morfología de meso-estructura."