Grafit-oxid

A grafit-oxid (grafén-oxid) szén , hidrogén és oxigén különböző arányú vegyülete, amely a grafit erős oxidálószerekkel történő kezelésénél keletkezik [1] . A leginkább oxidált formák a sárga szilárd anyagok, amelyek C:O aránya 2,1 és 2,9 között van.

A grafit-oxid szerkezetére számos modell létezik. Ennek oka az a tény, hogy ez egy berthollid és összetett amorf szerkezetű, valamint az ilyen anyagok jellemzésére szolgáló analitikai módszerek hiánya.

• A Hoffman szerkezet egy síkban elosztott epoxicsoportokból áll, és az oxidhoz a C 2 O képletet rendeli.
• Res egy másik lehetőséget javasolt hidroxilcsoportok használatával. Az alapsík sp 2 -ről sp 3 hibridizált rendszerre változott. Ezt a formulát a szén-monofluorid polimerben lévő analógjaként hozták létre.
• A Scholz-Boehm modell nem tartalmaz epoxicsoportokat.
• A Decani szerkezete az előző két módosítása.
• A Nakajima-Matsuo szerkezete analóg a dikarbon-monofluorid polimerrel.
• A legújabb Lerf-Klinovsky modell inkább a nem sztöchiometrikus, amorf alternatívára összpontosít [1] .

A grafit-oxid fő részét lúgokkal diszpergált rendszer előállítására használják fel monomolekuláris lemezek előállítására, amelyeket grafén-oxidnak neveznek (a grafénnel analóg módon , amely a grafit egyrétegű formája) [2] .

A grafén-oxid lapokat nagyon erős, papírra emlékeztető anyag létrehozására használták, és közbenső termékként a grafén előállításához (2010-től ez nem lehetséges, mivel a reakciók során keletkező grafén még mindig számos kémiai és szerkezeti hibával rendelkezik) [2 ] ]

Felfedezési előzmények

A grafitoxidot először Benjamin Brody oxfordi tudós állította elő 1859-ben úgy, hogy a grafitot kálium-klorát és salétromsav keverékével kezelték . 1957-ben William Hammers és Richard Offerman tudósok egy megbízhatóbb, gyorsabb és hatékonyabb eljárást találtak kénsav H 2 SO 4 , nátrium-nitrát NaNO 3 és kálium-permanganát KMnO 4 keverékével [3] . Ez a módszer még mindig széles körben elterjedt, és még mindig használják grafit-oxid szintetizálására.

Nemrég[ mikor? ] H 2 SO 4 és KMnO 4 keverékét használták szén nanocsövek hosszirányú "vágására" [4] , aminek eredményeként mikroszkopikus, lapos, több atomos grafénszalagok képződtek, oxigénatomokból vagy hidroxilcsoportokból álló "tetőkkel " . 3] .

Grafit-oxid előállítható a Tan-Lau módszerrel is, amely glükózt használ . Ez a módszer biztonságosabb, könnyebb és környezetbarátabb, mint a hagyományos, erős oxidálószereket alkalmazó reakciók . A Tan-Lau módszer másik fontos előnye a könnyű vastagságszabályozás [5] .

Szerkezet

A grafit-oxid szerkezete és tulajdonságai a szintézis konkrét módszerétől és az oxidáció mértékétől függenek. A rétegek általában megmaradnak, mint a grafitnál, de a köztük lévő távolság körülbelül kétszeresére (~0,7 nm) nő a grafithoz képest. Szigorúan véve az „ oxid ” téves elnevezés, de történelmileg kialakult név. Az epoxicsoportokon kívül más, kísérletileg megállapított funkciós csoportok is léteznek, például karbonil- , hidroxil-, fenolos csoport . Bizonyítékok vannak a grafén-oxid lemezek "hajlításaira" és megrepedésére a rétegek hordozóra történő lerakódása során. A részletes szerkezet még mindig nem érthető a rétegek erős rendezetlensége és szabálytalan pakolódása miatt [3] .

A grafén-oxid rétegek vastagsága körülbelül 1,1 ± 0,2 nm. Alagútmikroszkóppal olyan lokális régiókat találtunk, ahol az oxigénatomok 0,27 nm × 0,41 nm-es állandó rácsban helyezkednek el, az egyes rétegek széleit karboxil- és karbonilcsoportok vágják le. A röntgen-fotoelektron-spektroszkópia kimutatja a szénatomok jelenlétét olyan gyűrűkben, amelyek oxigént (284,8 eV), CO-t (286,2 eV) nem tartalmaznak C=O-ban (287,8 eV) és OC=O-ban (289,0 eV) [6] .

A grafit-oxid könnyen hidratál , ami megnöveli a síkok közötti távolságot (telített állapotban 1,2 nm-ig). A nagy nyomás által kiváltott hatások miatt további víz is bekerül a közbenső rétegbe [7] . A fő termék nedvességet szív fel a környező levegőből a páratartalom arányában. A víz teljes eltávolítása nagyon nehéz, mivel a 60-80 ° C-on történő melegítés az anyag részleges bomlásához és lebomlásához vezet. A vízhez hasonlóan a grafit-oxid is könnyen beépít más poláris oldószereket, például alkoholokat (valamint a DMF-et és az N-metil-pirrolidont). A grafit-oxid rétegek szétválása arányos az alkoholmolekula méretével, további monorétegek kerülnek a szerkezetbe nagy nyomáson [8] .

A grafit-oxid mérsékelten magas hőmérsékleten (~280-300°C) gyors hevítés hatására lebomlik, és finoman diszpergált amorf szenet képez, amely kicsit olyan, mint az aktív szén . A korom a legvékonyabb, 2–5 nm vastag grafitpelyhekből áll, amelyek átmérője az eredeti grafit jellegétől függően akár több századmillimétert is elérhet. Mivel így a grafit-oxidban CO és CO 2 formájában megkötött oxigén szabadul fel , lehetséges, hogy atomi méretű üregek jelennek meg a grafitrácsban.

Alkalmazás

A sajátos kétdimenziós szerkezet és a különböző oxigéntartalmú funkciós csoportok megléte miatt a grafit-oxidnak számos felhasználási területe van a legkülönbözőbb területeken [2] .

Szuperkondenzátorok

A kálium-hidroxid átstrukturálja a grafit-oxidot, háromdimenziós porózus szerkezetet hozva létre. Mindegyik falának atomi vastagsága van, és az "aktivált" grafit-oxid felülete eléri a 3100 m² / g-ot. Az anyag magas elektromos vezetőképességgel is rendelkezik . A kész mintákban a legtöbb pórus átmérője a 0,6-5 nm tartományba esik. A kísérletek során az új elektródaanyag felhasználásával épített szuperkondenzátor nagyon jó gravimetrikus kapacitást és energiasűrűséget mutatott, ez utóbbi megközelítette az ólom-savas akkumulátorokéét. 10 000 töltési/kisütési ciklus után az "aktivált" grafit-oxid az eredeti kapacitásának 97%-án tovább működött.

Nagy teherbírású papír

Vízben oldva a grafit-oxid grafén-oxid rétegekre válik szét. A kapott oldatot egy speciális membránon szűrik át, amelyre a rétegek ismét fel vannak kötve, de már sokkal erősebb szerkezetté, mint a grafit - grafén papír. A hagyományos grafitrétegek nagyon gyengén kötődnek, és a kötések könnyen megszakadnak. A grafénpapírban éppen ellenkezőleg, a rétegek összefonódnak, így a terhelés egyenletesen oszlik el a szerkezetben, így az nagyon erős. A rétegek összefonódásának módja lehetővé teszi, hogy kissé elmozduljanak egymáshoz képest, rugalmassá téve az egész szerkezetet. Ennél is fontosabb, hogy lehetséges az adott anyag tulajdonságainak kémiai szabályozása a rétegekben lévő oxigén mennyiségének változtatásával. Például ennek csökkentésével a dielektromos papír jó vezetővé tehető . Azt is tervezik, hogy különféle polimereket és fémeket építenek be a grafénpapír szerkezetébe , így olyan kompozitokat hoznak létre, amelyek tulajdonságaikban felülmúlják a tiszta grafént és az adalékanyagot.

DNS-kutatás

A grafén-oxid nagy, lapos felülete lehetővé teszi több különböző színezékkel jelölt DNS-próba egyidejű vizsgálatát, lehetővé téve több cél - DNS kimutatását ugyanabban az oldatban. A grafén-oxidon és DNS-en alapuló szenzorok keresésének további előrehaladása olcsó DNS-elemzési rendszerek létrehozásához vezethet [9] . A gyógyászatban agyrák, pajzsmirigyrák stb.

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 He H., Klinowski J., Forsterb M., Lerf A. A new structure model for graphite oxide  //  Chemical Physics Letters. - 1988. - 1. évf. 287. sz . 1-2 . - 53-56 . o . - 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. szoc. - 2006. - Vol. 128. sz . 24 . - P. 7720-7721 . - doi : 10.1021/ja060680r .
3. ↑ 1 2 3 Hummers Jr. WS, Offeman RE Preparation of Graphitic Oxide  //  J. Am. Chem. szoc. - 1958. - 1. évf. 80 , sz. 6 . - 1339. o . - doi : 10.1021/ja01539a017 .
4. ↑ Kosynkin DV, Higginbotham AL, Sinitskii A., Lomeda JR, Dimiev A., Price BK, Tour JM Carbon nanotubes longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons   // Nature . - 2009. - 1. évf. 458 , sz. 7240 . - P. 872-876 . - doi : 10.1038/nature07872 . — 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. - Kt. 22 . - P. 5676-5683 . - doi : 10.1039/C2JM15944A .
6. ↑ Stankovich S., Piner RD, Chen X., Wu N., Nguyen ST, Ruoff RS Grafitos nanolemezkék stabil vizes diszperziói a hámozott grafit-oxid redukciójával poli(nátrium-4-sztirolszulfonát  ) jelenlétében  / / J. Mater . Chem. - 2006. - Vol. 16 . - 155-158 . o . - doi : 10,1039/B512799H .
7. ↑ Talyzin AV, Solozhenko VL, Kurakevych OO, Szabó T., Dékány I., Kurnosov A., Dmitriev V. Colossal Pressure-Induced Lattice Expansion of Graphite Oxide in the Presence of Water   // Angew . Chem. Int. Szerk. - 2008. - Vol. 47 , sz. 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. szoc. - 2009. - 1. évf. 131. sz . 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. Graphene Nanoprobe for Rapid, Sensitive és Multicolor Fluoreszcens DNS-elemzés  (angol)  // Fejlett funkcionális anyagok. - 2010. - 20. évf. 20 , sz. 3 . - P. 453-459 . - doi : 10.1002/adfm.200901639 .

Linkek

•  „Aktivált” grafit-oxidot nyernek a szuperkondenzátorok teljesítményének javítására . Letöltve: 2013. június 24. Az eredetiből archiválva : 2013. június 30.
• Grafénpapír (nem elérhető link) . Letöltve: 2013. június 24. Az eredetiből archiválva : 2013. június 30. (határozatlan) 

A szén oxidjai
Közönséges oxidok	CO2_ _ CO
Egzotikus oxidok	C2O2 _ _ _ C2O3 _ _ _ C2O4 _ _ _ C3O2 _ _ _ C4O2 _ _ _ C4O6 _ _ _ C5O2 _ _ _ C2O _ _ CO3_ _ CO4_ _ C 12 O 9 C 12 O 12
Polimerek	grafit-oxid C3O2 _ _ _ CO CO2_ _
Szén-oxidok származékai	Fém-karbonilok Szénsav Bikarbonátok Karbonátok Dikarbonátok Trikarbonátok