Deep Eutectic Solvent Functionalized Graphene ... - ACS Publications

Sep 13, 2017 - KEYWORDS: choline chloride, flame retardant, graphene oxide, monosodium ..... flame treatment, the DESGO/cloth sample displayed thread...
0 downloads 0 Views 661KB Size
Subscriber access provided by Imperial College London | Library

Article

The Deep Eutectic Solvent Functionalized Graphene Composite as an Extremely High-Potent Flame Retardant Dattatray Appasha Pethsangave, Rahul Vijay Khose, Pravin Harishchandra Wadekar, and Surajit Some ACS Appl. Mater. Interfaces, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acsami.7b09587 • Publication Date (Web): 13 Sep 2017 Downloaded from http://pubs.acs.org on September 14, 2017

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

ACS Applied Materials & Interfaces is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Applied Materials & Interfaces

The Deep Eutectic Solvent Functionalized Graphene Composite as an Extremely High-Potent Flame Retardant  Dattatray A. Pethsangavea, Rahul V. Khosea, Pravin H. Wadekar a, Surajit Somea*    a. Department of Dyestuff Technology, Institute of Chemical Technology, Matunga, Mumbai‐400 019, India.    KEYWORDS:  Choline chloride, flame retardant, graphene oxide, monosodium dihydrogen orthophosphate and phos‐ phorous.   ABSTRACT: We report a simple and green approach to develop the deep eutectic solvent functionalized graphene deriva‐ tive, as an effective flame retardant. The deep eutectic solvent functionalized graphene oxide (DESGO) was synthesized  by introducing nitrogen supported phosphorus functional groups on the surface of graphene derivative via a deep eutectic  solvent,  which  is  prepared  by  the  treatment  of  monosodium  dihydrogen  orthophosphate  and  choline  chloride.  Subse‐ quently,  the  resultant  DESGO  material  is  characterized  by  X‐ray  photoelectron  spectroscopy  (XPS),  X‐ray  diffraction  (XRD),  Fourier  transform  infrared  spectroscopy  (FT‐IR),  Raman  spectroscopy,  thermo  gravimetric  analysis  (TGA)  and  scanning electron microscopy (SEM). The as prepared DESGO solution coated cloth piece was sustaining its initial shape  and  size  by  releasing  little  amount  of  smoke  at  the  early  stage  without  catching  fire  for  more  than  540  s  (9  minutes),  whereas the pristine cloth is totally burned out within 10 s by leaving small amounts of black mass. This simple method of  direct functionalized of deep eutectic solvent on the graphene oxide surface can be a common process for the cost effec‐ tive bulk production of nano carbon template for extremely high‐potential, nontoxic flame retardant applications. 

Introduction:  Fire  is  the  major  revolutionary  discovery  that  has  led  the entire human life into a new era of comfort zone. Fire  has  killed  more  people  than  all  other  natural  calamities.  Every  coin  has  two  sides;  likewise,  fire  has  also  got  both  positive  and  negative  impact  on  human  life.  Therefore,  fire  can  also  lead  to  major  calamities  if  not  controlled  properly.  Fire  related  deaths  and  property  loss  are  key  problem. The main role of fire related research is the de‐ velopment  of  highly  effective  material  that  protects  hu‐ man life and society. The establishment of new materials  as  flame  retardant  that  can  reduce  the  fire  risk  should  meet various safety merits to reduce the effect on the en‐ vironment,  and  healthy  human  life  is  very  challenging.  Generally, cotton is known as the most important natural  textile  fibers  used  to  manufacture  clothes,  home  decora‐ tions  and  industrial  products;  how‐ever,  this  cellulosic  material is highly flammable. Numerous approaches have  been  used  to  improve  the  combustion  characteristics  of  textiles, including cotton.1 The halogenated flame retard‐ ants  and  boron‐based  flame  retardant  have  been  elimi‐ nated as they produce  toxic gases due to burning that can  be  harmful  to  human  life  and  the  entire  environment.2  Durable  phosphorus‐containing  materials  have  secured  attention  due  to  their  effectiveness  such  as  resisting  re‐ peated  wash  cycles,3  decreasing  the  volatile  of  fuels,  re‐ ducing the pyrolysis temperature, enlarging the carbona‐ ceous  char,  and  reducing  the  afterglow.4  In  recent  years,  graphene,  a  two  dimensional  structure  consisting  of  sp2 

carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, has a great  deal  of  attention  from  researchers  from  varied  fields  of  physics,  chemistry,  materials  science,  energy,  and  bio‐ chemistry  due  to  its  high  surface  area,  good  electronic,  mechanical, and  thermal properties.5‐10  Furthermore,  it  is  the  most  thermodynamically  stable  allotrope  of  carbon;  therefore, it is difficult to integrate heteroatoms into car‐ bon back bone via different approaches.11 However recent‐ ly, many researchers12 have revealed the possible approach  of  fabricating  heteroatom  on  the  carbon  back  bone  of  graphene  from  graphene  oxides  (GOs).13  Recently,  re‐ searchers  have  reported  the  synthesis  of  phosphorus  doped graphene oxide (PGO)14 and graphene phosphonic  acid  (GPA)15  as  efficient  fire  retardant  materials.  The  re‐ quirement  remains  for  highly  efficient  materials,  which  will  be  easy  to  fabricate,  environmentally  friendly,  mild,  and  cost  effective.  In  the  recent  year  also,  ionic  liquids  (ILs)  are  continuing  as  new  “green”  solvents  because  of  their  unique  physicochemical  properties.16,17  An  advance  type  of  IL  analogues  is  interpreted  as  deep  eutectic  sol‐ vent (DES). It has been observed that DESs have compa‐ rable  behavior  with  traditional  ILs.18  DESs  perform  as  a  replacement to standard fluids and regular ILs due to the  nonreactivity with water, biocompatible, and biodegrada‐ bility  properties.18  Therefore,  it  is  worthwhile  to  use  DES  to  prepare  nanomaterial  to  serve  as  an  extremely  high‐ potent  flame  retardant.  For  the  first  time,  we  have  de‐ signed  a  simple  and  green  approach  to  develop  the  deep  eutectic  solvent  functionalized  graphene  oxide  (DESGO) 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Applied Materials & Interfaces

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

as  an  extremely  high‐potent  flame  retardant.  Therefore,  our  as  made  graphene‐supported  DES  composite  is  easy  to  synthesize,  cost‐effective  and  environment  friendly.  It  is studied that GO has oxygen rich functional active sites  with  high  surface  area,  which  is  easy  to  synthesize  and  has low toxicity potential.19 The presence of large number  of  oxygen  containing  functional  groups  such  as  epoxy,  carbonyl,  carboxylic  acid  and  hydroxyl  groups  of  gra‐ phene oxide are capable to activate the formation of intra  and inter hydrogen bonding with active counterpart.20 On  the account of such Properties, we have applied a DES on  the surface of as made GO to introduce active Phosphorus  functional groups. We have synthesized this novel DES by  applying  choline  Chloride  and  monosodium  dihy‐ drogengen  orthophosphate  (Scheme  1).  DESGO  was  pre‐ pared by the treatment of as made DES in addition of GO  followed by heating at 80 °C for 8 h. The as prepared ma‐ terial DESGO showed high amount of phosphorous func‐ tionalization.  The  as  prepared  material  is  used  in  flame  retardant experiment. 

  Scheme 1 Synthesis of Highly Efficient Flame Retardant  (DESGO).  Experimental Section  Material and Method:  Graphite  powder,  potassium  permanganate,  sulphuric  acid, sodium  nitrite, hydrogen peroxide, choline chloride  and monosodium dihydrogen orthophosphate are all pur‐ chase from Sigma Aldrich without further purification.   Preparation of graphene oxides:    GO were prepared from natural graphite powder by us‐ ing a modified Hummer’s method.22  Synthesis  of  deep  eutectic  solvents  functionalized  gra‐ phene oxide (DESGO):  Monosodium  dihydrogen  orthophosphate  of  5.5  gm.  were  mixed  with  5  gm.  choline  chloride  and  was  stirred  overnight  at  80°C.  The  resulting  DES  solution  is  filtered  out (~ 5.5g). Then 1g of filtrate DES and 200 mg of GO was  mixed (weight ratio 5:1); this mixture was kept at 80°C for  8  h  to  get  the  resulting  DESGO  nanocomposite.  The  as‐

Page 2 of 7

made DESGO nanocomposite was washed with DI water,  and the resultant was dried under vacuum (~ 0.980g).  Preparation of DESGO and GO coated with cloths:   The  cloth  was  cut  into  5.5  ×  9.5  cm  pieces.  The  cloth  samples were coated with DESGO solution and GO solu‐ tions dried in air for 2 h and  kept in vacuum oven at 60°C  overnight, followed by a flame‐retardant experiment.     Result and Discussion:  The  as  prepared  materials  are  characterized  by  X‐ray  photo  electronic  spectroscopy  (XPS),  Fourier  transform  (FT‐IR),  X‐ray  diffraction  (XRD),  Raman  spectroscopy,  thermogravimetric  analysis  (TGA)  and  scanning  electron  microscopy  (SEM).  The  as  prepared  materials  are  ana‐ lyzed  by  XPS  spectroscopy  to  investigate  that  chemical  composition of  materials.  The as  prepared GO contained  a  low  C/O  ratio  of  2.02  (Figure  1a,  Table  S1).  The  subse‐ quent  DESGO  contained  a  C/O  ratio  of  0.96,  which  demonstrated  that  it  also  has  a  high  amount  of  oxygen‐ containing  functional  groups.  In  comparison  with  the  initial  material  GO  (Figure  S1),  which  gives  a  rise  to  no‐ ticeable C1s and O1s peaks at 282.6 and 530.5 eV, respec‐ tively (Figure 1b and c),21,22    DESGO provided a rise to characteristic P2s (Figure S2)  and  P2p  peaks  at  nearby  191.1  and  134.0  eV,  respectively  (Figure 1e), besides the strong C1s and O1s peaks. The C1s  XPS  spectrum  of  the  DESGO  showed  a  sharp  peak  at  284.8eV,  which  corresponds  to  the  C‐C  bonds  of  carbon  atoms  in  the  structure.  The  peak  at  286.2  eV  could  be  recognized to different C‐O, C‐P and C‐N bonds, whereas  the peaks at 288.8 eV could be indicated to different car‐ bonyls C=O configurations due to the harsh oxidation and  the  destruction  of  the  sp2  atomic  structure  of  original  graphite  (Figure  1b).  15,  22‐23  Peaks  at  531.1  and  532.7  eV  in  the O1s XPS spectrum of the DESGO correspond to C=O,  P=O  and  C‐O,  P‐O,  respectively  (Figure  1c).  The  peak  at  400.0  eV  and  in  402.5  eV  in  the  N1s  XPS  spectrum  of  DESGO  could  be  recognized  to  C‐N  and  quaternary  ni‐ trogen atom (Figure 1d).24 XPS spectra with curve fittings  for the C1s (Figure 1b), O1s (Figure 1c), N1s (Figure 1d), P2p  (Figure 1e), and P2s (Figure S2) peaks determine that the  aromatic C‐P, P‐O, C‐N and P=O bonds are the noticeable  P  and  N  components  in  DESGO,  and  it  confirmed  the  presence  of  the  high  amount  of  phosphorus  functional  groups.  The  FT‐IR  spectra  of  GO  and  DESGO  are  shown  in  Figure  1f.  The  following  peaks  observed  in  the  FT‐IR  spectrum  of  GO.  The  peak  at  3424  cm−1  indicates  the  broad  vibration  of  O‐H  band.  The  peak  appears  at  1728  and  1623  cm−1  confirmed  the  presence  of  C=O  stretching  of  acid  and  C=C  stretching  vibration  of  aromatic  carbon  atom,  respectively.  Peaks  appeared  at  1412  and  1053  cm−1,  indicating for C‐H bends and C‐O stretching, respectively.  23  The FT‐IR spectrum of DESGO confirmed the presence  of strong aromatic P=O, C‐P, P‐O, P‐OH, and P‐O (bond  rocking),  stretching  peak,  which  appeared  at  1166,  1147,  1017,  941  and  491  cm‐1  respectively.  15  Peaks  at  3500  cm  −1  indicates the O‐H stretching, 1728 and 1623 cm−1 indicate  the  presence  C=O  group  and  C=C  stretching  vibration. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Applied Materials & Interfaces

The FT‐IR spectra of choline chloride and DES are shown  in  (Figure  S3).  The  peak  appears  at  3230,  1482,  1056  and  951  cm‐1  confirmed  the  presence  of  O‐H  stretching,  CH3  rocking  vibration,  CH2  stretching  and  the C‐C‐O  stretch‐ ing  of  cholinium  ion,  repectively.  25  The  FT‐IR  spectra  of  DES confirmed the presence of P=O, P‐O, P‐OH and P‐O  (rocking)  which  appeared  at  1159,  1046,  942  and  501  cm‐1  respectively.14,  15  After  flame  test  of  GO,  DESGO,  DES  coated  cloths  and  blank  cloth,  char  residue  of  each  was  obtained  and  their  FT‐IR  spectra  were  recorded  (Figure  S8).  Raman  spectroscopy  was  applied  to  evaluate  the  quality  of  the  as  prepared  material  to  analyze  the  struc‐ ture  and  quality  of  carbon  nanomaterial,  mainly  to  de‐ termine  defects  and  the  structural  orientation  of  nano‐ material.  As  shown  in  Figure  2a,  the  G‐band  of  GO  peak  at  1605  cm−1  shifted  from  the  same  of  graphite  at  1585  cm−1,  which  is  suggested  that  conjugated  double  bonds  that resonates the frequencies greater than that of G‐band  of  graphite.22  The  as  prepared  DESGO  material  showed  that the G‐band at 1621 cm−1, which is suggesting that the  insertion  of  nitrogen  based  phosphorous  and  oxygen  functionalized  groups  into  the  graphite  structure  of  car‐ bon atoms with disorder (Figure 2a). 

  Figure 1. (a) XPS survey spectra of GO and DESGO; (b)  XPS spectra of DESGO C 1s ; (c) XPS spectra of DESGO O  1s ; (d) XPS spectra of DESGO N 1s ; (e) XPS spectra of P  2p; (f) IR spectra of GO and DESGO.   

The ID/IG ratio of DESGO (1.02:1) increased in compar‐ ison  to  that  of  only  GO  (0.90:1),  which  represents  that  more structural defects occurred in contrast to GO struc‐ ture,22  suggesting  the  successive  functionalization  of  ni‐ trogen‐based  phosphorous  and  oxygen  groups.  Whereas  no  D‐band  was  observed  in  the  case  of  graphite.14  Ther‐ mogravimetric analysis (TGA) of the GO and DESGO was  used  to  establish  the  weight  loss  of  them.  Both  the  sam‐ ples  were  heated  under  an  air  atmosphere  from  room  temperature to 600°C at a heating rate of 20°C min−1  The  as‐made GO sample showed a low thermal strength under  the air atmosphere as shown in the TGA curve. The major  weight loss was in between 100 and 200°C, identifying the  release of CO2 and vapor from the most  labile functional  groups during the pyrolysis.   

     

Figure  2.  (a)  Raman  spectra  of  GO  and  DESGO;  (b)  TGA of GO and DESGO; and (c) XRD spectra of  GO, DESGO and graphite. 

At  temperature  600°C,  the  total  weight  loss  was  80%  which  was  due  to  the  thermal  decomposition  of  carbon  skeleton.26  In contrast, TGA analysis of DESGO also show  stepwise  weight  loss  at  close  temperatures  100°C,  220– 260°C,  and  580°C,  respectively  (Figure  2b).  The  initial  weight  loss  ~100°C  is  due  to  thermally  induced  loss  of  bound  water,  which  indicated  the  hygroscopic  nature  of  the  as‐made  material.  The  pyrolysis  of  the  wide  range  of  labile  hetero  atom  (N,  P,  and  O)  containing  functional 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Applied Materials & Interfaces

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

groups was attributed to the weight loss at ~ 220–260°C. 23  Third  step  weight  loss  at  ~  580°C  was  assigned  to  the  thermal condensation of phosphonic acid (Figure 2b) and  the  degradation  of  the  graphitic  structure  in  air.22  Ther‐ mal stability of GO, DES, DESGO coated cloth and blank  cloth  have also measured (Figure S9). The  interlayer  dis‐ tance  in  GO  and  DESGO  were  confirmed  by  using  XRD  pattern. The 2θ peak of graphite powder was observed at  26.71°,  which  indicates  that  the  interlayer  distance  of  graphite  is  3.34  Å  (Figure  2c).23  The  as  prepared  GO  that  produced a 2θ peak at 11.42° represents the interlayer dis‐ tance as 7.25 Å, which interprets that the interlayer space  increased via the full oxidation of graphite layers into GO  (Figure 2c).23 The XRD pattern of the as prepared DESGO  showed only single peak at 7.26°, which demonstrates an  interlayer  distance  of  ~12  Å  (Figure  2c).The  change  of  2θ  peak  position  of  GO  (11.42°)  in  comparison  with  DESGO  (7.26°)  demonstrates  that  the  interlayer  distance  of  DESGO increased due to DES functionalized into GO. 

Page 4 of 7

showed a distinct morphology in comparison to GO (Fig‐ ure 3a‐d). SEM images of DESGO coated cloths were ob‐ served,  before  and  after  flame  retarding  test  (Figure  3a– 3d).  The  image  of  the  DESGO  coated  cloth  before  the  flame  test  reveals  the  presence  of  DESGO  cloths  surface  (Figure 3a, 3c). After the flame test, DESGO‐coated cloth  preserve  the  textile  fiber  morphology  and  structure,  which  was  prevented  by  the  formation  of  shielding  layer  of DESGO on the cloth surface (Figure 3b, 3d). Elemental  mapping  was  performed  to  exhibit  the  distribution  of  phosphorus atom on the DESGO surface. Follow‐ing Car‐ bon  (Green),  Nitrogen  (Blue),  Oxygen  (Grey),  and  phos‐ phorous  (Red)  atoms,  uniform  distribution  on  the  cloth  surface was confirmed from the SEM. SEM images of GO  coated  cloth  before  and  after  flame  test  have  shown  in  Figure S7.  

  Figure  4.  Snapshots  of  the  flame  retardant  test  of  the  GO  coated  cloth  (left)  with  and  blank  cloth  (right)  with  respect  to  time  from  (a‐c)  0‐10  s.  Snapshots  of  the  flame  retardant  test  of  the  DES  coated  cloth  (left)  with  and  blank cloth (right) with respect to time (d‐f) 0‐35 s. Snap‐ shot  of  the  flame  retardant  test  of  DESGO  coated  cloth  (left) with and only cloth (right) with respect to time from  (g‐i) 0‐540 s.  

  Figure  3.  SEM  Images  of  DESGO/Cloth  (a)  before  fire  and (b) after fire retardant experiment respectively. Mag‐ nified SEM Images of DESGO on cloth (c) before and (d)  after. Corresponding EDX element mapping (e) before (f)  after of carbon (green), oxygen (grey), phosphorous (red)  and nitrogen (blue).  Scanning  electron  microscopy  (SEM)  was  applied  to  study  the  overall  surface  morphology  of  the  as‐prepared  materials. In case of GO image, we observed the thin and  wrinkled  sheet  (Figure  S4).22  The  as  prepared  DESGO 

 The  possible  mechanism  of  insertion  of  phosphorus  supported  functional  groups  on  graphene  surface  is  demonstrated  in  Figure  S5.14    After  the  structural  confir‐ mation of DESGO, the material was dispersed in DI‐water  (1 mg/ml).(Figure S6) The as‐made DESGO ink was used  for  further  experiment  of  flame  retardant  test.  For  the  preparation  of  the  flame‐retardation  sample,  DESGO  ink  was used to coat a piece of cloth and dried under vacuum  oven  at  60°C  overnight,  while  control  cloth  sample  re‐ main was not coated (right image in Figure 4). The load‐ ing  of  DESGO  with  respect  to  the  mass  of  the  cloth  was  approximately 5.54 wt. %. (See Table S2). We have meas‐ ured  the  tensile  strength  of  DESGO  coated  cloth  with  loading (1‐6%) in comparison to blank cloth (Figure S 10)  The  control  cloth  sample  and  DESGO‐coated  cloth  (DESGO/cloth)  were  tested  with  same  time  in  air  with  ethanol  flame  (Figure  4  g‐i  and  video  in  supporting  in‐ formation). The control cloth sample captured fire with in  5 s and was completely burned within 10 s to convert into  small  black  mass  (right  images  in  Figure  4  a‐i).  Subse‐ quently,  the  DESGO  coated  cloth  initial  emitted  little 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Applied Materials & Interfaces

smoke without catching fire up to >540 s (9 minutes) and  maintained  almost  in  its  initial  form  (Figure  4  g‐i).  Whereas in case of DES coated cloth has caught fire with‐ in  ~35  s and  has  developed little  self‐extinguishing  prop‐ erty  and  on  the  other  hand  GO  coated  cloth  experiment  caught  fire  within  5  s  (Figure  4  a‐f)  as  control  experi‐ ments. Therefore, DESGO is a better application in com‐ parison to only GO and other reported materials till date  as  a  flame  retardant  on  the  basis  of  lighting  time  (See  supporting  Information  Table  S3).  The  DESGO  coated  cloth confirms the excellent flame retardation property in  comparison  to  previously  reported  methods  on  the  basis  of lighting time. We have carried out washing fastness of  DESGO/cloth  and  DESGO  cloth/Binder  before  and  after  washing % weight loss as shown in Table S5. The probable  retardation  mechanism  was suggested  under  the  impres‐ sion  of  the  TGA  and  other  data  (Scheme  1).  As  per  the  TGA  data,  the  initial  little  smoke  was  emitted  from  the  steam  by  the  physically  trapped  moisture  and  the  by‐ products  formation  by  the  condensation  of  phosphorus  functional groups and also the thermal decomposition of  DESGO. The temperature range from ~220 to 260°C could  be  as‐signed  to  hetero  atom  (N,  P,  and  O)  containing  functional  derivatives.  15  The  graphitic  part  was  a  major  ingredient  of  above  500°C.  Hence,  physical  grounds  for  this retardation are associated to the cooling of the exter‐ nal  burning  due  to  endothermic  reactions  and  vaporiza‐ tion. The % weight loss at different temperature for blank  cloth,  GO/cloth,  DES/cloth  and  DESGO/cloth  were  rec‐ orded  from  TGA  data  as  shown  in  Table  .S7  and  S8.  Chemical ground retardation is associated to the thermal  condensation  of  phosphorus  functional  groups  into  char  formation on the external surface of the cloth. Before the  flame  treatment,  the  DESGO/cloth  sample  displayed  thread morphology of the cloth with DESGO coating (see  the  Figure  3a).  We  have  calculated  DTA  data  from  TGA  data to explain the behavior our materials in detail Figure  S11.    The  DESGO/cloth  also  maintained  the  thread  mor‐ phology  after  the  flame  treatment  by  the  formation  of  a  preventive  layer  on  the  outside  of  the  cloth  (see  Figure  3b).  The  DSC  data  of  blank  cloth,  GO/cloth,  DES/cloth  and  DESGO/cloth  have  indicated  that  these  are  exother‐ mic reactions as shown in Figure S12 and Table S9.In con‐ trast, the SEM images of the DESGO/cloth (Figure 3a, and  b) before and after flame treatment and the flame‐ treated  DESGO/cloth still  maintained  thread  textures.  Neverthe‐ less,  in  the  case  of  the  GO/cloth,  no  thread  morphology  was  noticed  after  the  flame  treatment  (See  Figure  S7.  Standard method limiting oxygen index (LOI) test is also  used to evaluate the thermal stability of GO, DES, DESGO  coated  cloths  and  blank  cloth.  The  LOI  values  of  GO,  DES, DESGO coated cloths and blank cloth have listed in  Table S4.34, 35 The vertical flammability test with excellent  result and details flammability data have been reported in  Table S6.    Conclusions:  In  conclusion,  we  have  developed  a  simple,  easy  and  a  green approach to functionalized novel effective DES into 

the  GO  surface.  The  as  made  DES  is  functioned  into  the  GO  surface  via  hydrogen  bonding.  The  as  made  DES  is  acting as a resource of phosphorus fictionalization, which  helps  to  introduced  phosphorus  functional  group  on  the  back  bone  as  well  as  on  the  surface  of  graphene  compo‐ site. The as prepared DESGO coated with cloth has shown  utmost  efficiency  in  the  flame‐retardant  experiment.  At  the  initial  stage,  DESGO  coated    cloth  emitted  little  smoke at the starting point without grabbing fire for more  than    >540  s  (9  minutes)  maintaining  its  primary  form   with slight contraction, whereas the only cloth caught fire  within  5  s  and  completely  burned  out  within  10  s,  fol‐ lowed  by  producing  small  amounts  of  black  mass.  The  sample  of  cloth  coated  with  solution  of  DESGO  showed  excellent  flame  retardation  properties.  The  DESGO  coat‐ ed cloth confirms the excellent flame retardation property  in  comparison  to  previously  reported  methods  on  the  basis of lighting time. The direct functionalization of DES  into GO to produce graphene supported nano composite  by  using  a  simple  and  green  approach,  which  is  a  high‐ potent for flame retardation experiment.    ASSOCIATED CONTENT   Supporting Information  AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  * Dr. S. Some   E‐mail: [email protected].  Present Addresses   Department of Dyestuff Technology,  Institute of Chemical Technology Matunga,   Mumbai‐400 019, India.  Author Contributions  D.A.P.and S.S. wrote the manuscript, D.A.P. performed  experiment, D.A.P., R.V.K. and P.H.W. prepared graphene  oxide  and  nanocompsite.D.A.P.  and  R.V.K.  analysed  all  data, S.S.supervised all work.  Funding Sources   UGC  Start‐Up‐  Grant  (No.F.4‐5/2006  (BSR)),  BRNS  fund  (34/14/14/2015/BRNS)  and  DST  fund  (YSS/2015/00078).  Notes  The authors declare no competing financial interest.   ACKNOWLEDGMENT  This  work  was  supported  by  BRNS  fund  (34/14/14/2015/BRNS),  DST  fund  (YSS/2015/00078)  and  UGC  Start‐Up‐  Grant  (No.F.4‐5/2006  (BSR)).  D.A.P.  is  thankful to UGC‐SAP for providing fellowship.     ABBREVIATIONS  GO,  graphene  oxide;  DESGO,  deep  eutectic  solvent  functionalized  graphene  oxide;  DES,  deep  eutectic  sol‐ vent.     

ACS Paragon Plus Environment

ACS Applied Materials & Interfaces

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

    REFERENCES  (1)  Weil,  E.  D.;  Levchik,  S.V.  Flame  retardants  in  com‐ mercial  use  or  development  for  textiles.  J.  Fire  Sci.  2008,  26, 243‐281.  (2)  Wakelyn,  P.  J.;  Bertoniere,  N.  R.;  French,  A.  D.;  Thibodeaux,D.  Cotton  fiber  chemistry  and  technology;  CRC  Press  (Taylor  and  Francis  Group):  bocaraton,  FL,  2007, 77‐80.  (3)  Huang,  X.;  Qi,  X.Y.;  Boey,  F.;  Zhang,  H.  Graphene‐ based composites. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 666‐686.  (4) J. Sather, H. Richards, Efficiency of phosphorus con‐ taining  compounds  for  inhibiting  afterglow  in  cellulose  fabrics, DTIC Report, 1969.  (5)  Verdejo,  R.;  Bernal,  M.M.;  Romasanta,  L.J.;  Lopez  Manchado,  M.A.  Graphene  filled  polymer  nanocompo‐ sites.  J. Mater. Chem. 2011, 21, 3301‐3310.   (6)  Barlas,  Y.;  Kun,  Y.;  Macdonald,  A.H.  Quantum  hall  effects  in  graphene  based  two‐dimensional  electron  sys‐ tems, Nanotechnology. 2012, 23, 1.  (7) Sun, Y.; Wu, Q.; Shi, G. Graphene based new energy  materials.   Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1113‐1132.   (8)  Zhu,  Y.  W.;  Murali,  S.  ;  Cai,  W.W.;  Li,  X.  S.;  Suk,  J.W.;  Potts,  J.R.  ;  Ruoff,  R.S.  Graphene  and  graphene  ox‐ ide: Synthesis, proper‐ties, and applications.  Adv. Mater.  2010, 22, 3906‐3924.   (9)  Singh,  V.;  Joung,  D.;  Zhai,  L.;  Das,  S.;  Khondaker,  S.I.;  Seal,  S.  Graphene  based  materials:  past,  present  and  future, Prog. Mater. Sci. 2011, 56, 1178‐1271.   (10)  Geim,  A.K.;  Novoselov,  K.S.  The  rise  of  graphene.  Nat. Mater. 2007, 6, 183‐191.  (11)  Qu,  L.;  Liu,  Y.;  Baek,  J.B.;  Dai,  L.  Nitrogen‐doped  graphene as efficient metal‐free electrocatalyst for oxygen  reduction in fuel cells. ACS Nano. 2010, 4, 1321‐1326.   (12)  Dai,  L.  M.  Functionalization  of  Graphene  for  Effi‐ cient  Energy  Conversion  and  Storage.  Acc.  Chem.  Res.  2013, 46, 31‐42.   (13) Park, S.; Ruoff, R.S. Chemical methods for the pro‐ duction  of  graphene.  Nat.  Nanotechnology.  2009,  4,  217‐ 224.   (14)  Some,  S.;  Shackery,  I.;  Jun  Kim,  S.;  Chan  Jun,  S.  Phosphorus‐doped  graphene  oxide  layer  as  a  highly  effi‐ cient flame retardant. Chem. Eur. J. 2015, 21, 15480‐15485.   (15)  Jung  Kim,  M.;  Yup  Jeon,  I.;  Min  Seo,  J.;  Dai,  L.;  Beom  Baek,  J.  Graphene  phosphonic  acid  as  an  efficient  flame retardant. Acs.Nano. 2014, 8, 2820‐2825.   (16)  Wasserscheid,  P.;  Welton,  T.  Ionic  liquids  in  syn‐ thesis. Wiley Online Library. 2008.   (17) Hayyan, M.; Mjalli, F.S.; Hashim, M. A.; AlNashef, I.  M. ;  Al‐Zahrani, S. M.; Chooi, K. L. Generation of super‐ oxide  ion  in  1‐butyl‐1‐methylpyrrolidinium  trifluoroace‐ tate  and  its  application  in  the  destruction  of  chloro‐ methane.  J. Mol. Liq. 2012, 167, 28‐33.  

Page 6 of 7

(18)  Abbott,  A.  P.;  Boothby,  D.;  Capper,  G.;  Davies,  D.  L.; Rasheed. R. K. Deep eutectic solvents formed between  choline  chloride  and  carboxylic  acids:  versatile  alterna‐ tives  to  ionic  liquids.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2004,  126,  9142‐ 9147.   (19)  Pethsangave,  D.A.;  .Khose,  R.V.;  Chaskar,  A.C.;  Chan  Jun,  S.;  Some.  S.  Graphene  derivative  as  a  highly  efficient nitrosonium source: a reusable catalyst for diazo‐ tization  and  coupling  reaction.  ChemistrySelect.  2016,  1,  6933‐6940.   (20)  Medhekar,  N.V.;  Ramasubramaniam,  A.;  Ruoff,  R.  S.;  and  Shenoy,  V.  B.  Hydrogen  bond  networks  in  gra‐ phene oxide  compo‐site  paper:  structure  and mechanical  properties. Acs.Nano. 2010, 4, 2300‐2306.  (21)  Some,  S.;  Bhunia,  P.;  Hwang,  E.;  Lee,  K.;  Yoon,  Y.;  Seo, S.; Lee, H. Can commonly used hydrazine produce n‐ Type graphene?. Chem. Eur.J. 2012, 18, 7665‐7670.   (22) Some, S.; Ho, S.M.; Dua, P.; Hwang, E.; Shin, Y. H.;  Yoo,  H.;    Kang,  J.;.Lee,  D.k.;  Lee,  H.  Dual  functions  of  highly  potent  graphene  derivative–poly‐l‐lysine  compo‐ sites  to  inhibit  bacteria  and  support  human  Cells.  ACS  Nano. 2012, 6, 7151‐7161.   (23)  Some,  S.;  Kim,  Y.;  Yoon,  Y.;  Yoo,  H.;  Lee,  S.;  Park,  Y.; Lee, H. High‐quality reduced graphene oxide by a du‐ al‐function  chemical  reduction  and  healing  process.  Sci.  Rep. 2013, 3, 1929‐1933.    (24) Blundell, R. K.; Licence, P. Quaternary ammonium  and  phosphonium  based  ionic  liquids:  a  comparison  of  common  anionsm.  Phys.  Chem.  Chem.  Phys.  2014,  16,  15278‐15288.  (25) Gadilohar, B. L.; Kumbhar, H.S.; Shankarling, G. S.  Choline  peroxydisulfate  oxidizing  Bio‐TSIL:  Triple  role  player  in  the  one‐pot  synthesis  of  betti  bases  and  gem‐ bisamides  from  aryl  alcohols  under  solvent‐free  condi‐ tions.  New Journal of Chemistry. 2015, 39, 4647‐4657.  (26) Long, D.; Li, W.; Ling, L.; Miyawaki, J.; Mochida, I.;  Yoon,  S.  Preparation  of  nitrogen‐doped  graphene  sheets  by  a  combined  chemical  and  hydrothermal  reduction  of  graphene oxide. Langmuir. 2010, 26, 16096‐16102.  (27)  Higginbotham,  A.  L.;  Lomeda,  J.R.;  Morgan,  A.  B.;  Tour, J. M. Graphite oxide flame retardant polymer nano‐ composites. ACS Applied Material and Interfaces. 2009, 1,  2256‐2261.   (28) Hu, C.; Xue, J.; Dong, L.; Jiang, Y.; Wang, X.; Qu, L.;  Dai.  L.  Scalable  preparation  of  multifunctional  fire‐ retardant Ultralight graphene foams. ACS Nano. 2016, 10,  1325‐1332.  (29)  Wakelin,  B.;  Kocjan,  A.;  Salazar‐Alvarez,  G.;  Caro‐ sio, F.; Camino, G.; Antonietti M.; Barnstorm. L. Thermal‐ ly  insulating  and  fire‐retardant  lightweight  anisotropic  foams based on nanocellulose and graphene oxide. Nature  Nanotechnology. 2015, 10, 277‐283.   (30) Huang, G.; Yang, J.; Gao, J.; Wang, X. Thin films of  intumescent flame retardant polyacrylamide and exfoliat‐ ed  graphene  oxide  fabricated  via  layer‐by‐layer  assembly 

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Applied Materials & Interfaces

(34) Thach‐Mien, D. N.; Se‐Chin, C.; Brian , C.; Minori,  U.;  and  Chanel,  F.  Development  of  an  environmentally  friendly  halogen‐free  phosphorus–nitrogen  bond  flame  retardant for cotton fabrics. Polym. Adv. Technol. 2012, 23,  1555‐1563. 

for improving flame retardant properties of cotton fabric.  Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 12355‐12366.   (31) Tang, M.; Qi, F.; Chen, M.; Sun, Z.; Xu, Y.; Chen, X.;  Zhang, Z.; Shen. R.  Synergistic effects of ammonium pol‐ yphosphate and red phosphorus with expandable graphite  on  flammability  and  thermal  properties  of  HDPE/EVA  blends. Polymer advanced technologies. 2015.  

(35)  Horrocks,  A.  R.;  Tunc,  M.;  Price,  D.  The  burning  behaviour  of  textiles  and  its  assessment  by  oxygen‐index  methods. Text. Prog. 1989, 18, 1‐186. 

(32) Dietrich, B.; Wartig, K.A.; Mülhaupt, R.; Schartel.B.  Flameretardancy  properties  of  intumescent  ammonium  poly (phosphate) and mineral filler magnesium hydroxide  in  combination  with  graphene.  Polymers.  2014,  6,  2875‐ 2895.  

       

(33) Yumeng, S.; Lain Jong, L. Chemically modified gra‐ phene:  flame  retardant  or  fuel  for  combustion?  J.  Mater.  Chem. 2011, 21, 3277‐3279.  

   

        SYNOPSIS TOC (Word Style “SN Synopsis TOC”).     In this work, we have designed a simple and green approach to develop the deep eutectic solvent functionalized  graphene oxide (DESGO) by introducing nitrogen supported phosphorous functional groups on the surface of gra‐ phene derivative as a high‐potent flame retardant.  

                     

ACS Paragon Plus Environment