Исследование электрохимических свойств электродов, выполненных на основе лазерно-индуцированного графена

В данной работе представлен новый подход к формированию лазерно-индуцированного графена из оптически прозрачного полимера путем лазерной обработки нанесенной на него пленки металлических наночастиц. Данный подход позволяет варьировать свойства получаемого материала не только контролем параметров лазерного излучения, но и подбором химического состава наночастиц. Например, использование серебряных наночастиц позволяет получать материал активный для спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света, в то время как использование медных наночастиц дает возможность получать фотокаталитическую активность.
Морфологические, структурные и электрохимические свойства получаемого материла подробно описаны в данной работе. Дополнительно показаны возможные применения материала.

Введение ………………………………………………………………………………………………………………… 14
1. Обзор литературы …………………………………………………………………………………………. 15
1.1. Получение проводящих графеноподобных материалов методом лазерной
обработки ……………………………………………………………………………………………………………. 15
1.2. Свойства лазерно-индуцированного графена …………………………………………………. 18
1.2.1. Морфологические свойства…………………………………………………………………………. 19
1.2.2. Смачиваемость поверхности ………………………………………………………………… 21

1.2.3. Электрические свойства ………………………………………………………………………. 23

1.2.4. Электрохимические свойства ………………………………………………………………. 24

2. Объект и методы исследования ……………………………………………………………………………. 27
2.1. Подготовка образцов……………………………………………………………………………………… 27
2.2. Лазерное облучение пленок …………………………………………………………………………… 27
2.3. Изображения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и элементный
анализ методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) ………… 29
2.4. Спектроскопия комбинационного рассеяния света …………………………………………. 29
2.5. Электрохимические измерения………………………………………………………………………. 29
3. Результаты проведенного исследования ………………………………………………………… 31
3.1 Механизмы формирования материала и его характеризация ……………………………. 31
3.2 Особенности структуры лазерно-индуцированного композита металла с
полимером. ………………………………………………………………………………………………………….. 33
3.3 Морфология поверхности ………………………………………………………………………………. 36
3.4 Электрохимические свойства …………………………………………………………………………. 37
3.4.1 Емкость и циклическая стабильность ……………………………………………………. 38

3.4.2 Оценка электроактивной площади и электронного переноса …………………. 40

3.5 Применения …………………………………………………………………………………………………… 42
3.5.1 Электрохимическией сенсор для детектирования ионов тяжелых металлов
……………………………………………………………………………………………………………………………….. 42

3.5.2 Сенсор для бимодального детектирования пестицидов ………………………….. 43

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ………… 46
4.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………………………………. 46
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………………………….. 46
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности
и ресурсосбережения …………………………………………………………………………………………… 47
4.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………………………. 49
4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………………………….. 51
4.4 Инициация проекта ……………………………………………………………………………………………. 53
4.4.1 Цели и результаты проекта ………………………………………………………………………….. 53
4.4.2 Организационная структура проекта ……………………………………………………………. 54
4.5 Бюджет научного исследования …………………………………………………………………………. 56
4.5.1 Расчет затрат на оборудование для выполнения научно-экспериментальных
работ …………………………………………………………………………………………………………………… 57
4.5.2 Основная заработная плата исполнителей проекта ……………………………………….. 58
4.5.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы …………………………………. 60
4.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды ………………………………………………………….. 60
4.5.5 Накладные расходы……………………………………………………………………………………… 61
4.5.6 Формирование бюджета научно-исследовательского проекта……………………….. 61
4.6 Оценка сравнительной эффективности научно-технического проекта…………………. 62
Заключение по разделу финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение …………………………………………………………………………………………………. 63
5. Социальная ответственность …………………………………………………………………………. 64
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………………….. 65
5.1.1 Основные права и обязанности работника …………………………………………….. 65

5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………………………… 66
5.3 Анализ выявленных вредных и опасных фаткоров ………………………………………….. 67
5.3.1 Вредные факторы …………………………………………………………………………………. 67

5.3.1.1 Недостаток естественного света и недостаточная освещенность рабочей
зоны ……………………………………………………………………………………………………………………….. 67

5.3.1.2 Повышенный уровень электромагнитного излучения …………………………. 71

5.3.1.3 Повышенный уровень шума на рабочем месте ……………………………………. 73

5.3.1.4 Отклонения показателей микроклимата ……………………………………………… 74

5.3.1.5 Выполнение работы с химическими веществами и наноматериалами …. 75

5.3.2 Опасные факторы …………………………………………………………………………………. 76
5.3.2.1 Повышенная напряженность электрического поля или повышенное
значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти
через тело человека …………………………………………………………………………………………………. 76

5.3.2.2 Работа с лазерами ………………………………………………………………………………. 77

5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………………………… 78
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………………… 79
Заключение по разделу социальная ответственность ……………………………………………….. 82
Список использованной в разделе социальная ответственность литературы …………….. 83
Заключение …………………………………………………………………………………………………………….. 84
Список публикаций ………………………………………………………………………………………………… 85
Список использованной литературы ……………………………………………………………………….. 86
Приложение А ………………………………………………………………………………………………………… 91

1.Novoselov K.S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films //
Science. 2004. Vol. 306, № 5696. P. 666–669.
2.Soldano C., Mahmood A., Dujardin E. Production, properties and potential
of graphene // Carbon N. Y. Elsevier BV, 2010. Vol. 48, № 8. P. 2127–2150.
3.Whitener K.E. Jr, Sheehan P.E. Graphene synthesis // Diam. Relat. Mater.
Elsevier BV, 2014. Vol. 46. P. 25–34.
4.Lonkar S.P., Deshmukh Y.S., Abdala A.A. Recent advances in chemical
modifications of graphene // Nano Res. Springer Science and Business
Media LLC, 2015. Vol. 8, № 4. P. 1039–1074.
5.Shulga Y.M., Shulga N.Y., Parkhomenko Y.N. Carbon nanostructures
reduced from graphite oxide as electrode materials for supercapacitors // Izv.
Vyss. Uchebnykh Zaved. Mater. Elektron. Tekhniki = Mater. Electron. Eng.
National University of Science and Technology MISiS, 2015. № 3. P. 157.
6.Lipovka A. et al. Time-stable wetting effect of plasma-treated biodegradable
scaffolds functionalized with graphene oxide // Surf. Coat. Technol. Elsevier
BV, 2020. Vol. 388, № 125560. P. 125560.
7.Chua C.K., Pumera M. Chemical reduction of graphene oxide: a synthetic
chemistry viewpoint // Chem. Soc. Rev. 2014. Vol. 43, № 1. P. 291–312.
8.Mural P.K.S. et al. A critical review on in situ reduction of graphene oxide
during preparation of conducting polymeric nanocomposites // RSC Adv.
Royal Society of Chemistry (RSC), 2015. Vol. 5, № 41. P. 32078–32087.
9.Wan Z. et al. Laser-reduced graphene: Synthesis, properties, and
applications // Adv. Mater. Technol. Wiley, 2018. Vol. 3, № 4. P. 1700315.
10. Kymakis E. et al. Laser-assisted reduction of graphene oxide for flexible,
large-area optoelectronics // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Institute
of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2014. Vol. 20, № 1. P. 106–
115.
11. Dimiev A.M., Tour J.M. Mechanism of graphene oxide formation // ACS
Nano. 2014. Vol. 8, № 3. P. 3060–3068.
12. Rodriguez R.D. et al. Beyond graphene oxide: laser engineering
functionalized graphene for flexible electronics // Mater. Horiz. Royal
Society of Chemistry (RSC), 2020. Vol. 7, № 4. P. 1030–1041.
13. Ossonon B.D., Bélanger D. Functionalization of graphene sheets by the
diazonium chemistry during electrochemical exfoliation of graphite //
Carbon N. Y. Elsevier BV, 2017. Vol. 111. P. 83–93.
14. Petridis C. et al. Post-fabrication, in situ laser reduction of graphene oxide
devices // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 2013. Vol. 102, № 9. P. 093115.
15. de Lima B.S., Bernardi M.I.B., Mastelaro V.R. Wavelength effect of ns-
pulsed radiation on the reduction of graphene oxide // Appl. Surf. Sci.
Elsevier BV, 2020. Vol. 506, № 144808. P. 144808.
16. Yung K.C. et al. Laser direct patterning of a reduced-graphene oxide
transparent circuit on a graphene oxide thin film // J. Appl. Phys. AIP
Publishing, 2013. Vol. 113, № 24. P. 244903.
17. Ye R., James D.K., Tour J.M. Laser-Induced Graphene // Acc. Chem. Res.
2018. Vol. 51, № 7. P. 1609–1620.
18. Lin J. et al. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers
// Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 5714.
19. Tadyszak K., Wychowaniec J.K., Litowczenko J. Biomedical Applications
of Graphene-Based Structures // Nanomaterials (Basel). 2018. Vol. 8, № 11.
20. Dong Y., Rismiller S.C., Lin J. Molecular dynamic simulation of layered
graphene clusters formation from polyimides under extreme conditions //
Carbon N. Y. Elsevier BV, 2016. Vol. 104. P. 47–55.
21. Duy L.X. et al. Laser-induced graphene fibers // Carbon N. Y. Elsevier BV,
2018. Vol. 126. P. 472–479.
22. Chyan Y. et al. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward
Electronics on Cloth, Paper, and Food // ACS Nano. 2018. Vol. 12, № 3. P.
2176–2183.
23. Li Y. et al. Laser-Induced Graphene in Controlled Atmospheres: From
Superhydrophilic to Superhydrophobic Surfaces // Adv. Mater. 2017. Vol.
29, № 27.
24. Wang W. et al. One-step laser induced conversion of a gelatin-coated
polyimide film into graphene: Tunable morphology, surface wettability and
microsupercapacitor applications // Science China Technological Sciences.
2021. Vol. 64, № 5. P. 1030–1040.
25. Thakur A.K. et al. Laser-Induced Graphene-PVA Composites as Robust
Electrically Conductive Water Treatment Membranes // ACS Appl. Mater.
Interfaces. 2019. Vol. 11, № 11. P. 10914–10921.
26. Wu W. et al. Preparation of superhydrophobic laser-induced graphene using
taro leaf structure as templates // Surf. Coat. Technol. Elsevier BV, 2020.
Vol. 393, № 125744. P. 125744.
27. Nasser J. et al. Laser induced graphene printing of spatially controlled super-
hydrophobic/hydrophilic surfaces // Carbon N. Y. Elsevier BV, 2020. Vol.
162. P. 570–578.
28. Bergsman D.S. et al. Preserving nanoscale features in polymers during laser
induced graphene formation using sequential infiltration synthesis // Nat.
Commun. 2020. Vol. 11, № 1. P. 3636.
29. Cao L. et al. Stable and durable laser-induced graphene patterns embedded
in polymer substrates // Carbon. 2020. Vol. 163. P. 85–94.
30. Jiao L. et al. Laser-Induced Graphene on Additive Manufacturing Parts //
Nanomaterials (Basel). 2019. Vol. 9, № 1.
31. Li L. et al. High-Performance Pseudocapacitive Microsupercapacitors from
Laser-Induced Graphene // Adv. Mater. 2016. Vol. 28, № 5. P. 838–845.
32. Lamberti A. et al. Supercapacitors: A Highly Stretchable Supercapacitor
Using Laser-Induced Graphene Electrodes onto Elastomeric Substrate (Adv.
Energy Mater. 10/2016) // Advanced Energy Materials. 2016. Vol. 6, № 10.
33. Lamberti A. et al. New insights on laser-induced graphene electrodes for
flexible supercapacitors: tunable morphology and physical properties //
Nanotechnology. 2017. Vol. 28, № 17. P. 174002.
34. Zhang Z. et al. Visible light laser-induced graphene from phenolic resin: A
new approach for directly writing graphene-based electrochemical devices
on various substrates // Carbon N. Y. Elsevier BV, 2018. Vol. 127. P. 287–
296.
35. Rodriguez R.D. et al. Ultra‐robust flexible electronics by laser‐driven
polymer‐nanomaterials integration // Adv. Funct. Mater. Wiley, 2021. P.
2008818.
36. Stanford M.G. et al. High-Resolution Laser-Induced Graphene. Flexible
Electronics beyond the Visible Limit // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020.
Vol. 12, № 9. P. 10902–10907.
37. Hidalgo-Manrique P. et al. Microstructure and mechanical behaviour of
aluminium matrix composites reinforced with graphene oxide and carbon
nanotubes // Journal of Materials Science. 2017. Vol. 52, № 23. P. 13466–
13477.
38. Ma B. et al. The correlation between electrical conductivity and second-
order Raman modes of laser-reduced graphene oxide // Phys. Chem. Chem.
Phys. 2019. Vol. 21, № 19. P. 10125–10134.
39. El-Kady M.F. et al. Engineering three-dimensional hybrid supercapacitors
and microsupercapacitors for high-performance integrated energy storage //
Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. Vol. 112, № 14. P.
4233–4238.
40. Shumyantseva V.V. et al. Development of methods for functionalization of
screen printed electrodes with biocompatible organic-inorganic hybrid
nanocomposites for biosensing applications // Biochemistry (Moscow)
Supplement Series B: Biomedical Chemistry. Springer, 2014. Vol. 8, № 3.
P. 237–242.
41. Wang B., Zhang L., Zhou X. Synthesis of silver nanocubes as a SERS
substrate for the determination of pesticide paraoxon and thiram //
Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2014. Vol. 121. P. 63–69.