Grafiittioksidi

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 30. lokakuuta 2018 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 8 muokkausta .

Grafiittioksidi (grafeenioksidi) on hiilen , vedyn ja hapen yhdiste , joka muodostuu eri suhteissa, kun grafiittia käsitellään vahvoilla hapettimilla [1] . Eniten hapettuneet muodot ovat keltaisia ​​kiinteitä aineita, joiden C:O-suhde vaihtelee välillä 2,1 - 2,9.

Grafiittioksidin rakenteelle on olemassa monia malleja. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että se on berthollidi ja sillä on monimutkainen amorfinen rakenne, sekä analyyttisten menetelmien puutteesta tällaisten materiaalien karakterisoimiseksi.

Suurin osa grafiittioksidista käytetään dispergoidun järjestelmän valmistukseen emästen kanssa , jolloin saadaan yksimolekyylisiä levyjä, joita kutsutaan grafeenioksidiksi (analogisesti grafeenin kanssa , joka on grafiitin yksikerroksinen muoto) [2] .

Grafeenioksidilevyjä on käytetty erittäin vahvan paperia muistuttavan materiaalin luomiseen ja välituotteena grafeenin saamiseksi (vuodesta 2010 tämä ei ole mahdollista, koska näiden reaktioiden tuottamassa grafeenissa on edelleen monia kemiallisia ja rakenteellisia vikoja) [2 ]

Löytöhistoria

Oxfordin tiedemies Benjamin Brody valmisti grafiittioksidin ensimmäisen kerran vuonna 1859 käsittelemällä grafiittia kaliumkloraatin ja typpihapon seoksella . Vuonna 1957 tutkijat William Hammers ja Richard Offerman löysivät luotettavamman, nopeamman ja tehokkaamman prosessin käyttämällä rikkihapon H 2 SO 4 , natriumnitraatin NaNO 3 ja kaliumpermanganaatin KMnO 4 seosta [3] . Tämä menetelmä on edelleen laajalle levinnyt ja sitä käytetään edelleen grafiittioksidin syntetisoimiseen.

Äskettäin[ milloin? ] H 2 SO 4 :n ja KMnO 4 : n seosta käytettiin hiilinanoputkien pitkittäiseen "leikkaukseen" [4] , jolloin muodostui mikroskooppisia litteitä grafeeninauhoja, joiden pituus oli useita atomeja ja joissa oli happiatomien tai hydroksyyliryhmien " kattoja". 3] .

Grafiittioksidia voidaan valmistaa myös Tan-Lau-menetelmällä, jossa käytetään glukoosia . Tämä menetelmä on turvallisempi, helpompi ja ympäristöystävällisempi kuin perinteiset reaktiot, joissa käytetään voimakkaita hapettimia . Toinen Tan-Lau-menetelmän tärkeä etu on helppo paksuuden säätö [5] .

Rakenne

Grafiittioksidin rakenne ja ominaisuudet riippuvat tietystä synteesimenetelmästä ja hapetusasteesta. Kerrokset säilyvät yleensä, kuten grafiitissa, mutta niiden välinen etäisyys kasvaa noin kaksinkertaiseksi (~0,7 nm) grafiittiin verrattuna. Tarkkaan ottaen " oksidi " on harhaanjohtava nimitys, mutta historiallisesti vakiintunut nimi. Epoksiryhmien lisäksi on muitakin kokeellisesti vahvistettuja funktionaalisia ryhmiä, esimerkiksi karbonyyli , hydroksyyli, fenoli . On olemassa todisteita grafeenioksidilevyjen "taipuista" ja halkeiluista kerrosten kerrostamisen aikana alustalle. Yksityiskohtaista rakennetta ei vieläkään ymmärretä kerrosten voimakkaan epäjärjestyksen ja epäsäännöllisen pakkauksen vuoksi [3] .

Grafeenioksidikerrosten paksuus on noin 1,1 ± 0,2 nm. Tunnelimikroskopiaa käyttämällä löydettiin paikallisia alueita, joissa happiatomit sijaitsevat vakiohilassa 0,27 nm × 0,41 nm, kunkin kerroksen reunat on leikattu pois karboksyyli- ja karbonyyliryhmillä. Röntgenfotoelektronispektroskopia osoittaa hiiliatomien läsnäolon renkaissa, jotka eivät sisällä happea (284,8 eV), CO (286,2 eV) C=O:ssa (287,8 eV) ja OC=O:ssa (289,0 eV) [6] .

Grafiittioksidi hydratoituu helposti , mikä johtaa lisääntyneeseen tasojen väliseen etäisyyteen (jopa 1,2 nm kyllästetyssä tilassa). Välikerrokseen sisältyy myös lisää vettä korkean paineen aiheuttamien vaikutusten vuoksi [7] . Päätuote imee kosteutta ympäröivästä ilmasta suhteessa kosteuteen. Veden täydellinen poistaminen on erittäin vaikeaa, koska kuumennus 60-80 °C:ssa johtaa materiaalin osittaiseen hajoamiseen ja hajoamiseen. Kuten vesi, grafiittioksidi sisällyttää helposti myös muita polaarisia liuottimia, kuten alkoholeja (sekä DMF:a ja N-metyylipyrrolidonia). Grafiittioksidikerrosten erottuminen on verrannollinen alkoholimolekyylin kokoon, rakenteeseen asetetaan lisää yksikerroksia korkeassa paineessa [8] .

Grafiittioksidi hajoaa nopeasti kuumennettaessa kohtalaisen korkeissa lämpötiloissa (~280–300°C) muodostaen hienojakoista amorfista hiiltä, ​​vähän kuin aktiivihiiltä . Noki koostuu ohuimmista 2–5 nm paksuisista grafiittihiutaleista, joiden halkaisija voi olla useita millimetrin sadasosia, riippuen alkuperäisen grafiitin laadusta. Koska tämä vapauttaa grafiittioksidiin CO :n ja CO 2 : n muodossa sitoutunutta happea , on mahdollista, että grafiittihilassa ilmaantuu atomimittaisia ​​tyhjiä tiloja.

Sovellus

Erityisen kaksiulotteisen rakenteen ja erilaisten happea sisältävien funktionaalisten ryhmien olemassaolon vuoksi grafiittioksidilla on monia sovelluksia monilla eri aloilla [2] .

Superkondensaattorit

Kaliumhydroksidi strukturoi grafiittioksidia uudelleen luoden kolmiulotteisen huokoisen rakenteen. Jokaisella sen seinällä on atomipaksuus, ja "aktivoidun" grafiittioksidin pinta-ala on 3100 m² / g. Materiaalilla on myös korkea sähkönjohtavuus . Valmiiden näytteiden suurimman osan huokosten halkaisija on välillä 0,6–5 nm. Kokeissa uudesta elektrodimateriaalista rakennettu superkondensaattori osoitti erittäin hyvää gravimetristä kapasitanssia ja energiatiheyttä, joista jälkimmäinen lähestyi lyijyakkujen vastaavaa. 10 000 lataus/purkausjakson jälkeen "aktivoitu" grafiittioksidi jatkoi toimintaansa 97 %:lla alkuperäisestä kapasiteetistaan.

Raskaaseen käyttöön tarkoitettu paperi

Veteen liuotettuna grafiittioksidi erottuu grafeenioksidikerroksiksi. Saatu liuos suodatetaan erityisen kalvon läpi, johon kerrokset sidotaan jälleen, mutta jo paljon vahvemmaksi rakenteeksi kuin grafiitti-grafeenipaperi. Perinteisen grafiitin kerrokset ovat erittäin heikosti sitoutuneita ja sidokset katkeavat helposti. Grafeenipaperissa päinvastoin kerrokset kietoutuvat toisiinsa, joten kuorma voidaan jakaa tasaisesti koko rakenteeseen, mikä tekee siitä erittäin vahvan. Kerrosten kietoutuminen mahdollistaa niiden liikkumisen hieman toistensa suhteen, mikä tekee koko rakenteesta joustavan. Vielä tärkeämpää on, että tietyn materiaalin ominaisuuksia on mahdollista hallita kemiallisesti muuttamalla hapen määrää kerroksissa. Esimerkiksi sitä vähentämällä dielektrisestä paperista voidaan tehdä hyvä johtime. Grafeenipaperin rakenteeseen aiotaan myös lisätä erilaisia ​​polymeerejä ja metalleja , jolloin luodaan komposiitteja, jotka ovat ominaisuuksiltaan parempia kuin puhdas grafeeni ja seostusaine.

DNA-tutkimus

Grafeenioksidin suuri, tasainen pinta mahdollistaa useiden eri väriaineilla leimattujen DNA-koettimien tutkimisen samanaikaisesti, mikä mahdollistaa useiden kohde- DNA :iden havaitsemisen samassa liuoksessa. Edistyminen grafeenioksidiin ja DNA:han perustuvien antureiden etsimisessä voi johtaa halpojen DNA-ekspressio-analyysijärjestelmien luomiseen [9] . Lääketieteessä aivosyövän, kilpirauhassyövän jne.

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 He H., Klinowski J., Forsterb M., Lerf A. Uusi rakennemalli grafiittioksidille  //  Chemical Physics Letters. - 1988. - Voi. 287 , nro. 1-2 . - s. 53-56 . - doi : 10.1016/S0009-2614(98)00144-4 .
  2. ↑ 1 2 3 Niyogi S., Bekyarova E., Itkis ME, McWilliams JL, Hamon MA, Haddon RC Solution Properties of Graphite and Graphene  //  J. Am. Chem. soc. - 2006. - Voi. 128 , nro. 24 . - P. 7720-7721 . - doi : 10.1021/ja060680r .
  3. ↑ 1 2 3 Hummers Jr. WS, Offeman RE Preparation of Graphitic Oxide  //  J. Am. Chem. soc. - 1958. - Voi. 80 , ei. 6 . - s. 1339 . - doi : 10.1021/ja01539a017 .
  4. ↑ Kosynkin DV, Higginbotham AL, Sinitskii A., Lomeda JR, Dimiev A., Price BK, Tour JM Hiilinanoputkien pitkittäinen purkaminen grafeeninanonauhan muodostamiseksi   // Nature . - 2009. - Vol. 458 , no. 7240 . - s. 872-876 . - doi : 10.1038/luonto07872 . — PMID 19370030 .
  5. ↑ Tang L., Li X., Ji R., Teng KS, Tai G., Ye J., Wei C., Lau SP Bottom-up synthesis of large-scale graphene oxide nanosheets  //  J. Mater . Chem. - 2012. - Vol. 22 . - P. 5676-5683 . - doi : 10.1039/C2JM15944A .
  6. ↑ Stankovich S., Piner RD, Chen X., Wu N., Nguyen ST, Ruoff RS Grafiittisten nanoverihiutaleiden vakaat vesidispersiot pelkistämällä kuoriutunutta grafiittioksidia poly(natrium-4-styreenisulfonaatin  ) läsnäollessa  / / J. Mater . Chem. - 2006. - Voi. 16 . - s. 155-158 . - doi : 10.1039/B512799H .
  7. ↑ Talyzin AV, Solozhenko VL, Kurakevych OO, Szabó T., Dékány I., Kurnosov A., Dmitriev V. Grafiittioksidin kolosaalinen paineen aiheuttama  hilan laajeneminen veden läsnä ollessa  // Angew . Chem. Int. Ed. - 2008. - Voi. 47 , nro. 43 . - P. 8268-8271 . - doi : 10.1002/anie.200802860 . — PMID 18814163 .
  8. ↑ Talyzin AV, Sundqvist B., Szabó T., Dékány I., Dmitriev V. Pressure-Induced Insertion of Liquid Alcohols into Graphite Oxide Structure  //  J. Am. Chem. soc. - 2009. - Vol. 131 , nro. 51 . - P. 18445-18449 . - doi : 10.1021/ja907492s . — PMID 19947629 .
  9. ↑ He S., Song B., Li D., Zhu C., Qi W., Wen Y., Wang L., Song S., Fang H., Fan C. Grafeenin nanokoetin nopeille, herkille ja monivärisille Fluoresoiva DNA-analyysi  (englanti)  // Kehittyneet toiminnalliset materiaalit. - 2010. - Vol. 20 , ei. 3 . - s. 453-459 . - doi : 10.1002/adfm.200901639 .

Linkit

 Hiilen oksidit
Tavallisia oksideja hiilimonoksidi
Eksoottiset oksidit
Polymeerit
Hiilioksidien johdannaiset