Achieving Extremely Concentrated Aqueous Dispersions of Graphene Flakes and Catalytically Efficient Graphene-Metal Nanoparticle Hybrids with Flavin Mononucleotide as a High-Performance Stabilizer
Source abstract
Abstract
The stable dispersion of graphene flakes in an aqueous medium is highly desirable for the development of materials based on this two-dimensional carbon structure, but current production protocols that make use of a number of surfactants typically suffer from limitations regarding graphene concentration or the amount of surfactant required to colloidally stabilize the sheets. Here, we demonstrate that an innocuous and readily available derivative of vitamin B2, namely the sodium salt of flavin mononucleotide (FMNS), is a highly efficient dispersant in the preparation of aqueous dispersions of defect-free, few-layer graphene flakes. Most notably, graphene concentrations in water as high as ∼50 mg mL(-1) using low amounts of FMNS (FMNS/graphene mass ratios of about 0.04) could be attained, which facilitated the formation of free-standing graphene films displaying high electrical conductivity (∼52000 S m(-1)) without the need of carrying out thermal annealing or other types of post-treatment. The excellent performance of FMNS as a graphene dispersant could be attributed to the combined effect of strong adsorption on the sheets through the isoalloxazine moiety of the molecule and efficient colloidal stabilization provided by its negatively charged phosphate group. The FMNS-stabilized graphene sheets could be decorated with nanoparticles of several noble metals (Ag, Pd, and Pt), and the resulting hybrids exhibited a high catalytic activity in the reduction of nitroarenes and electroreduction of oxygen. Overall, the present results should expedite the processing and implementation of graphene in, e.g., conductive inks, composites, and hybrid materials with practical utility in a wide range of applications.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Graphene research and applications · Graphene and Nanomaterials Applications · Nanomaterials for catalytic reactions
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Instituto Nacional del Carbón, INCAR-CSIC, Apartado 73, 33080 Oviedo, Spain
Instituto de Microelectrónica de Barcelona, IMB-CNM (CSIC), Campus UAB, 08193 Bellaterra, Barcelona, Spain
Funding
European Regional Development Fund · Ministerio de Economía y Competitividad
References (100+)
Show source-provided references
1. Geim A. K. · Science · 2009 · 324 · 153010.1126/science.1158877 ↗
2. Novoselov K. S. · Nature · 2012 · 490 · 19210.1038/nature11458 ↗
3. Ferrari A. C. · Nanoscale · 2015 · 7 · 459810.1039/C4NR01600A ↗
4. Bonaccorso F. · Mater. Today · 2012 · 15 · 56410.1016/S1369-7021(13)70014-2 ↗
5. Li X. · Science · 2009 · 324 · 131210.1126/science.1171245 ↗
6. Zhang Y. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 232910.1021/ar300203n ↗
7. Cai M. · J. Mater. Chem. · 2012 · 22 · 2499210.1039/c2jm34517j ↗
8. Zhong Y. L. · Mater. Today · 2015 · 18 · 7310.1016/j.mattod.2014.08.019 ↗
9. Park S. · Nat. Nanotechnol. · 2009 · 4 · 21710.1038/nnano.2009.58 ↗
10. Dreyer D. R. · Chem. Soc. Rev. · 2010 · 39 · 22810.1039/B917103G ↗
11. Compton O. C. · Small · 2010 · 6 · 71110.1002/smll.200901934 ↗
12. Loh K. P. · Nat. Chem. · 2010 · 2 · 101510.1038/nchem.907 ↗
13. Morales-Narváez E. · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 329810.1002/adma.201200373 ↗
14. Pei S. · Carbon · 2012 · 50 · 321010.1016/j.carbon.2011.11.010 ↗
15. Mao S. · RSC Adv. · 2012 · 2 · 264310.1039/c2ra00663d ↗
16. Coleman J. N. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 1410.1021/ar300009f ↗
17. Du W. · J. Mater. Chem. A · 2013 · 1 · 1059210.1039/c3ta12212c ↗
18. Ciesielski A. · Chem. Soc. Rev. · 2014 · 43 · 38110.1039/C3CS60217F ↗
19. Hernandez Y. · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 56310.1038/nnano.2008.215 ↗
20. Hernandez Y. · Langmuir · 2010 · 26 · 320810.1021/la903188a ↗
21. Ricardo K. B. · Chem. Commun. · 2014 · 50 · 275110.1039/c3cc49273g ↗
22. Lotya M. · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 361110.1021/ja807449u ↗
23. De S. · Small · 2010 · 6 · 45810.1002/smll.200901162 ↗
24. Guardia L. · Carbon · 2011 · 49 · 165310.1016/j.carbon.2010.12.049 ↗
25. Sun Z. · Chem.—Eur. J. · 2012 · 18 · 697210.1002/chem.201103253 ↗
26. Buzaglo M. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2013 · 15 · 442810.1039/c3cp43205j ↗
27. Wang Z. · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 1083510.1039/c3cc46809g ↗
28. Bourlinos A. B. · Solid State Commun. · 2009 · 149 · 217210.1016/j.ssc.2009.09.018 ↗
29. Seo J.-W. T. · J. Phys. Chem. Lett. · 2011 · 2 · 100410.1021/jz2003556 ↗
30. Salavagione H. J. · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 1612910.1039/c1jm11694k ↗
31. Notley S. M. · Langmuir · 2012 · 28 · 1411010.1021/la302750e ↗
32. Mao M. · J. Mater. Chem. A · 2014 · 2 · 413210.1039/C3TA14632D ↗
33. Sun Z. · Chem.—Eur. J. · 2014 · 20 · 575210.1002/chem.201400098 ↗
34. Englert J. M. · Adv. Mater. · 2009 · 21 · 426510.1002/adma.200901578 ↗
35. An X. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 429510.1021/nl903557p ↗
36. Parviz D. · ACS Nano · 2012 · 6 · 885710.1021/nn302784m ↗
37. Sampath S. · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 274010.1002/adma.201205157 ↗
38. Schlierf A. · Nanoscale · 2013 · 5 · 420510.1039/c3nr00258f ↗
39. Zhang L. · ACS Nano · 2014 · 8 · 666310.1021/nn502289w ↗
40. Laaksonen P. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2010 · 49 · 494610.1002/anie.201001806 ↗
41. Sharifi F. · Small · 2012 · 8 · 69910.1002/smll.201101537 ↗
42. Zhang F. · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 484510.1039/c3cc41973h ↗
43. Chabot V. · Sci. Rep. · 2013 · 3 · 1378–110.1038/srep01378 ↗
44. Qu K. · Nano Res. · 2013 · 6 · 69310.1007/s12274-013-0345-3 ↗
45. Ihiawakrim D. · Nanoscale · 2013 · 5 · 907310.1039/c3nr02684a ↗
46. Holzer W. · Chem. Phys. · 2005 · 308 · 6910.1016/j.chemphys.2004.08.006 ↗
47. Yoon W. · Carbon · 2015 · 81 · 62910.1016/j.carbon.2014.09.097 ↗
48. Ju S.-Y. · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 35610.1038/nnano.2008.148 ↗
49. Ju S.-Y. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1319610.1021/ja305250g ↗
50. Insińska-Rak M. · Chem.—Eur. J. · 2014 · 20 · 1528010.1002/chem.201403895 ↗
51. Kammler L. · J. Phys. Chem. A · 2012 · 116 · 1009010.1021/jp305778v ↗
52. Li D. · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 10110.1038/nnano.2007.451 ↗
53. Fernández-Merino M. J. · Carbon · 2013 · 63 · 3010.1016/j.carbon.2013.06.034 ↗
54. Guardia L. · RSC Adv. · 2014 · 4 · 1411510.1039/C4RA00212A ↗
55. Cravotto G. · Chem.—Eur. J. · 2010 · 16 · 524610.1002/chem.200903259 ↗
56. Łukasiewicz J. · Dyes Pigment. · 2007 · 73 · 37710.1016/j.dyepig.2006.01.004 ↗
57. Halim U. · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 2213–110.1038/ncomms3213 ↗
58. Paton K. R. · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 62410.1038/nmat3944 ↗
59. Khan U. · Small · 2010 · 6 · 86410.1002/smll.200902066 ↗
60. Hamilton C. E. · Nano Lett. · 2009 · 9 · 346010.1021/nl9016623 ↗
61. Parvez P. · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 608310.1021/ja5017156 ↗
62. Park K. H. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 287110.1021/nl3004732 ↗
63. Behabtu N. · Nat. Nanotechnol. · 2010 · 5 · 40610.1038/nnano.2010.86 ↗
64. Berchmans S. · Langmuir · 1996 · 11 · 28610.1021/la00001a048 ↗
65. Machado B. F. · Catal. Sci. Technol. · 2012 · 2 · 5410.1039/C1CY00361E ↗
66. Xiang Q. · Chem. Soc. Rev. · 2012 · 41 · 78210.1039/C1CS15172J ↗
67. Xia B. Y. · Mater. Horiz. · 2014 · 1 · 37910.1039/C4MH00040D ↗
68. Sun Y. · Analyst · 2003 · 128 · 68610.1039/b212437h ↗
69. Crist B. V. · 2004 · 1
70. Hervés P. · Chem. Soc. Rev. · 2012 · 41 · 557710.1039/c2cs35029g ↗
71. Wu W. · J. Catal. · 2012 · 290 · 1310.1016/j.jcat.2012.02.005 ↗
72. He R. · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 4327–1
73. Kuroda K. · J. Mol. Catal. A: Chem. · 2009 · 298 · 710.1016/j.molcata.2008.09.009 ↗
74. Li J. · J. Mater. Chem. · 2012 · 22 · 842610.1039/c2jm16386a ↗
75. Vadakkekara R. · Colloids Surf., A · 2012 · 399 · 1110.1016/j.colsurfa.2012.02.016 ↗
76. Murugadoss A. · Nanotechnology · 2008 · 19 · 015603–110.1088/0957-4484/19/01/015603 ↗
77. Zhang P. · Nanoscale · 2011 · 3 · 335710.1039/c1nr10405e ↗
78. You J. · J. Mater. Chem. A · 2014 · 2 · 849110.1039/C4TA00632A ↗
79. Xu Y. · ChemCatChem. · 2013 · 5 · 378810.1002/cctc.201300480 ↗
80. Kim C. · Catal. Commun. · 2009 · 10 · 130510.1016/j.catcom.2009.02.013 ↗
81. Lin X. · Green Chem. · 2011 · 13 · 28310.1039/C0GC00513D ↗
82. Dai Y. · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 12510.1039/C4TA05869K ↗
83. Zhang Z. · Sci. Rep. · 2014 · 4 · 4053–1
84. Gu X. · Nanoscale · 2014 · 6 · 660910.1039/C4NR00826J ↗
85. Zhang Z. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 2103510.1021/am505911h ↗
86. Peng Y. · J. Mater. Chem. A · 2013 · 1 · 925710.1039/c3ta11676j ↗
87. Shi L. · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 1252610.1021/jp4013202 ↗
88. Kumar M. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 1607110.1021/am503913y ↗
89. Chiu C.-Y. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 2375710.1021/jp307768h ↗
90. Ramtenki V. · Colloids Surf., A · 2012 · 414 · 29610.1016/j.colsurfa.2012.08.026 ↗
91. Chirea M. · Langmuir · 2011 · 27 · 390610.1021/la104092b ↗
92. Leelavathi A. · Nanoscale Res. Lett. · 2011 · 6 · 123–110.1186/1556-276X-6-123 ↗
93. Karaoglu E. · J. Inorg. Organomet. Polym. · 2013 · 23 · 40910.1007/s10904-012-9796-3 ↗
94. Ghosh S. K. · Appl. Catal., A · 2004 · 268 · 6110.1016/j.apcata.2004.03.017 ↗
95. Kong L. · J. Solid State Chem. · 2009 · 182 · 208110.1016/j.jssc.2009.05.021 ↗
96. Baykal A. · J. Supercond. Nov. Magn. · 2013 · 26 · 16510.1007/s10948-012-1702-2 ↗
97. Biswas A. · Z. Anorg. Allg. Chem. · 2014 · 640 · 120510.1002/zaac.201300614 ↗
98. Liu M. · Chem. Rev. · 2014 · 114 · 511710.1021/cr400523y ↗
99. Xiao X. · Electrochim. Acta · 2011 · 56 · 1005510.1016/j.electacta.2011.08.095 ↗
100. Luz R. C. S. · Sens. Actuators, B · 2006 · 114 · 101910.1016/j.snb.2005.07.063 ↗