Oxid de grafit

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 30 octombrie 2018; verificările necesită 8 modificări .

Oxidul de grafit (oxidul de grafen) este un compus de carbon , hidrogen și oxigen în diverse proporții, care se formează atunci când grafitul este tratat cu agenți oxidanți puternici [1] . Cele mai oxidate forme sunt solide galbene cu un raport C:O cuprins între 2,1 și 2,9.

Există multe modele pentru structura oxidului de grafit. Acest lucru se datorează faptului că este o berhollidă și are o structură amorfă complexă, precum și lipsei de metode analitice pentru caracterizarea unor astfel de materiale.

Partea principală a oxidului de grafit este utilizată pentru a pregăti un sistem dispersat cu alcaline pentru a obține foi monomoleculare, care sunt numite oxid de grafen (prin analogie cu grafenul , care este o formă de grafit cu un singur strat) [2] .

Foile de oxid de grafen au fost folosite pentru a crea un material foarte puternic, care seamănă cu hârtie, și ca intermediar pentru a obține grafen (din 2010, acest lucru nu este posibil, deoarece grafenul produs de aceste reacții are încă multe defecte chimice și structurale) [2] ]

Istoricul descoperirilor

Oxidul de grafit a fost preparat pentru prima dată de omul de știință de la Oxford Benjamin Brody în 1859 prin tratarea grafitului cu un amestec de clorat de potasiu și acid azotic . În 1957, oamenii de știință William Hammers și Richard Offerman au descoperit un proces mai fiabil, mai rapid și mai eficient folosind un amestec de acid sulfuric H 2 SO 4 , azotat de sodiu NaNO 3 și permanganat de potasiu KMnO 4 [3] . Această metodă este încă răspândită și este încă folosită pentru a sintetiza oxid de grafit.

Recent[ când? ] a fost folosit un amestec de H 2 SO 4 și KMnO 4 pentru „tăierea” longitudinală a nanotuburilor de carbon [4] , având ca rezultat formarea unor panglici plate microscopice de grafen lungi de câțiva atomi, cu „acoperișuri” de atomi de oxigen sau grupări hidroxil [ 3] .

Oxidul de grafit poate fi preparat și prin metoda Tan-Lau, care utilizează glucoză . Această metodă este mai sigură, mai ușoară și mai ecologică decât reacțiile tradiționale care folosesc agenți oxidanți puternici . Un alt avantaj important al metodei Tan-Lau este controlul ușor al grosimii [5] .

Structura

Structura și proprietățile oxidului de grafit depind de metoda specifică de sinteză și de gradul de oxidare. Straturile sunt de obicei păstrate, ca în grafit, dar distanța dintre ele crește cu aproximativ un factor de doi (~0,7 nm) în comparație cu grafitul. Strict vorbind, „ oxid ” este o denumire greșită, dar un nume stabilit istoric. În plus față de grupările epoxidice, există și alte grupări funcționale stabilite experimental, de exemplu, carbonil , hidroxil, fenolic . Există dovezi de „îndoiri” și crăpare a foilor de oxid de grafen în timpul depunerii straturilor pe substrat. Structura detaliată încă nu este înțeleasă din cauza dezordinei puternice și a împachetării neregulate a straturilor [3] .

Grosimea straturilor de oxid de grafen este de aproximativ 1,1 ± 0,2 nm. Folosind microscopia de tunel, s-au găsit regiuni locale în care atomii de oxigen sunt localizați într-o rețea constantă de 0,27 nm × 0,41 nm, marginile fiecărui strat sunt tăiate de grupări carboxil și carbonil. Spectroscopia fotoelectronului cu raze X arată prezența atomilor de carbon în inele care nu conțin oxigen (284,8 eV), CO (286,2 eV) în C=O (287,8 eV) și în OC=O (289,0 eV) [6 ] .

Oxidul de grafit se hidratează ușor , rezultând o distanță interplanară crescută (până la 1,2 nm în stare saturată). Apa suplimentară este de asemenea inclusă în stratul intermediar datorită efectelor induse de presiune înaltă [7] . Produsul principal absoarbe umiditatea din aerul din jur proporțional cu umiditatea. Îndepărtarea completă a apei este foarte dificilă, deoarece încălzirea la 60-80 ° C duce la descompunerea parțială și degradarea materialului. Ca și apa, oxidul de grafit încorporează cu ușurință și alți solvenți polari, cum ar fi alcoolii (precum DMF și N-metilpirolidona). Separarea straturilor de oxid de grafit este proporțională cu dimensiunea moleculei de alcool, monostraturi suplimentare sunt introduse în structură la presiune ridicată [8] .

Oxidul de grafit se descompune prin încălzire rapidă la temperaturi moderat ridicate (~280–300°C) pentru a forma carbon amorf fin dispersat, un pic ca carbonul activat . Funinginea constă din cei mai subțiri fulgi de grafit cu grosimea de 2–5 nm, al căror diametru poate atinge câteva sutimi de milimetru, în funcție de natura grafitului original. Deoarece aceasta eliberează oxigen legat sub formă de CO și CO 2 în oxidul de grafit, este posibil ca în rețeaua de grafit să apară goluri de dimensiuni atomice.

Aplicație

Datorită structurii bidimensionale specifice și existenței diferitelor grupări funcționale care conțin oxigen, oxidul de grafit are multe aplicații într-o mare varietate de domenii [2] .

Supercondensatoare

Hidroxidul de potasiu restructurează oxidul de grafit, creând o structură poroasă tridimensională. Fiecare dintre pereții săi are o grosime atomică, iar suprafața oxidului de grafit „activat” ajunge la 3100 m²/g. Materialul are, de asemenea, o conductivitate electrică ridicată . Diametrul majorității porilor din probele finite se încadrează în intervalul 0,6-5 nm. În experimente, un supercondensator construit folosind noul material de electrod a arătat o capacitate gravimetrică și o densitate de energie foarte bune, aceasta din urmă apropiindu-se de cea a bateriilor plumb-acid. După 10.000 de cicluri de încărcare/descărcare, oxidul de grafit „activat” a continuat să funcționeze la 97% din capacitatea sa inițială.

Hârtie rezistentă

Când este dizolvat în apă, oxidul de grafit se separă în straturi de oxid de grafen. Soluția rezultată este filtrată printr-o membrană specială, pe care straturile sunt din nou legate, dar deja într-o structură mult mai puternică decât hârtia de grafit - grafen. Straturile de grafit convențional sunt foarte slab legate și legăturile se rup ușor. În hârtia grafenă, dimpotrivă, straturile sunt împletite, astfel încât sarcina poate fi distribuită uniform în întreaga structură, făcând-o foarte puternică. Modul în care straturile se întrepătrund le permite să se miște ușor unul față de celălalt, făcând întreaga structură flexibilă. Mai important, este posibil să se controleze chimic proprietățile unui anumit material prin modificarea cantității de oxigen din straturi. De exemplu, prin reducerea acestuia, hârtia dielectrică poate fi făcută un bun conductor. De asemenea, este planificată introducerea diverșilor polimeri și metale în structura hârtiei grafen , creând compozite care sunt superioare în proprietățile lor atât grafenului pur, cât și dopantului.

Cercetare ADN

Suprafața mare și plată a oxidului de grafen permite examinarea simultană a mai multor sonde ADN marcate cu diferiți coloranți, permițând detectarea mai multor ADN -uri țintă în aceeași soluție. Progrese suplimentare în căutarea senzorilor bazați pe oxid de grafen și ADN poate duce la crearea unor sisteme ieftine pentru analiza ADN-ului expres [9] . În medicină pentru tratamentul cancerului cerebral, cancerului tiroidian etc.

Note

  1. ↑ 1 2 He H., Klinowski J., Forsterb M., Lerf A. A new structural model for graphite oxide  //  Chemical Physics Letters. - 1988. - Vol. 287 , nr. 1-2 . - P. 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. Chim. soc. - 2006. - Vol. 128 , nr. 24 . - P. 7720-7721 . - doi : 10.1021/ja060680r .
  3. ↑ 1 2 3 Hummers Jr. WS, Offeman RE Prepararea oxidului  grafic //  J. Am. Chim. soc. - 1958. - Vol. 80 , nr. 6 . — P. 1339 . - doi : 10.1021/ja01539a017 .
  4. ↑ Kosynkin DV, Higginbotham AL,  Sinitskii A., Lomeda  JR, Dimiev A., Price BK, Tour JM . - 2009. - Vol. 458 , nr. 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 Sinteză de jos în sus a nanofilor de oxid de grafen la scară largă  //  J. Mater . Chim. - 2012. - Vol. 22 . - P. 5676-5683 . - doi : 10.1039/C2JM15944A .
  6. ↑ Stankovich S., Piner RD, Chen X., Wu N., Nguyen ST, Ruoff RS Dispersii apoase stabile de nanotrombocite grafitice prin reducerea oxidului de grafit exfoliat în prezența poli(styrensulfonatului de sodiu  )  // J. Mater . Chim. - 2006. - Vol. 16 . - P. 155-158 . - 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 . Chim. Int. Ed. - 2008. - Vol. 47 , nr. 43 . - P. 8268-8271 . - doi : 10.1002/anie.200802860 . — PMID 18814163 .
  8. ↑ Talyzin AV, Sundqvist B., Szabó T., Dékány I., Dmitriev V. Inserția indusă de presiune a alcoolilor lichidi în structura oxidului de grafit  //  J. Am. Chim. soc. - 2009. - Vol. 131 , nr. 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. A Nanosondă cu grafen pentru rapidă, sensibilă și multicoloră Analiza ADN fluorescent  (engleză)  // Materiale funcționale avansate. - 2010. - Vol. 20 , nr. 3 . - P. 453-459 . - doi : 10.1002/adfm.200901639 .

Link -uri

 Oxizii de carbon
Oxizi obișnuiți monoxid de carbon
Oxizi exotici
Polimeri
Derivați ai oxizilor de carbon