Grafit-oxid

A grafit-oxid , korábbi nevén oxid grafitos vagy grafitos sav egy szervetlen vegyület a szén , az oxigén és a hidrogén különböző atomarányban. Úgy állítjuk elő, hogy a grafit a erős oxidáló szerekkel . A legoxidáltabb termék a sárga szilárd anyag, amelynek C: O aránya 2,1 és 2,9 között van, amely megtartja a grafit rétegszerkezetét, de sokkal nagyobb és szabálytalanabb rétegek között.

A szilárd vegyület bázikus oldatokban diszpergálva monomolekuláris rétegeket hoz létre, amelyek grafén-oxid néven ismertek a grafénnal , a grafit egyrétegű alakjával analóg módon . A grafén-oxidot nagyon erős papírfajok előállítására használták, és a közelmúltban jelentős érdeklődést váltott ki a grafén előállításának lehetséges intermediereként. Ezt a célt azonban továbbra is nehéz elérni, mivel az ezzel a módszerrel kapott grafén sok kémiai és szerkezeti hibával rendelkezik.

Történelem és felkészülés

A grafit-oxidot eredetileg Oxford vegyésze , Benjamin C. Brodie  (en) készítette 1859-ben, a grafitot a füstölgő salétromsav kálium-klorát- oldatával kezelve . 1957-ben William S. Hummers és Richard E. Offeman kidolgozott egy biztonságosabb, gyorsabb és hatékonyabb módszert kénsav , H 2 SO 4 , nátrium-nitrát , NaNO 3 és kálium-permanganát , KMnO 4 keverékével , amelyet még mindig széles körben használnak. 2010-ben.

2009-ben, a keverék H 2 SO 4 , és KMnO 4 használtunk nyitott hosszirányban szén nanocsövek , amely előállított mikroszkopikus lapos szalagok grafén néhány atom széles és amelynek szélei voltak „capped”. Oxigénatomokkal ( = O ) vagy hidroxil- csoportok (–OH).

Szerkezet

A grafit-oxid szerkezete és tulajdonságai az adott szintézis módszertől és az oxidáció mértékétől függenek. Általában fenntartja a grafit rétegszerkezetét, de a rétegek burkolva vannak, és a rétegek közötti távolság körülbelül kétszer akkora (~ 0,7 nm ( )), mint a grafitnál. Szigorúan véve az "oxid" kifejezés helytelen, de történelmileg bevált. Az epoxicsoportokon (áthidaló oxigénatom) kívül további, kísérletileg talált funkciós csoportok a karbonil- (= CO), a hidroxil- (-OH) és a fenolcsoportok, amelyek mindkét oldalon kapcsolódnak. "(A síkosságtól való eltérés). A részletes szerkezet még nem ismert a rétegek súlyos rendezetlensége és szabálytalan egymásra rakása miatt.

A grafén-oxid rétegek vastagsága 1,1 ± 0,2  nm . Az alagútmikroszkópia megmutatja azoknak a helyi régióknak a jelenlétét, ahol az oxigénatomok szabályos téglalap alakú elrendezésben helyezkednek el, a hálóparaméterek 0,27 nm × 0,41 nm. Minden réteg széle karboxil- és karbonilcsoportokkal végződik . A fotoelektron-spektrometria X jelenlétét mutatja szénatomok tartalmazza az aromás gyűrűk és a nem-oxigénezett ( 284,8  eV ), C-O ( 286,2  eV ), C = O ( 287,8  eV ), és OC = O ( 289,0  eV ).

A grafit-oxid könnyen hidratálódik , ami a rétegek közötti távolság látható növekedéséhez vezet ( telített állapotban 1,2  nm-ig (12  Å )). További víz is felszívódik a rétegek közötti térben, ennek oka az indukált nagy nyomás hatása. A szilárd anyag így a nedvesség arányában elnyeli a környezeti levegő nedvességtartalmát. Komplett víz eltávolítása a termék nehéz, még melegítéssel 60 - 80  ° C , amely ahhoz vezet, hogy a részleges elbontásával és a degradáció.

A grafit-oxid hámlik és bomlik, ha gyorsan mérsékelten magas hőmérsékletre (~ 280 - 300  ° C ) melegítik , és finom eloszlású amorf szenet is képez , amely kissé hasonló az aktív szénhez .

Graféngyártás

A grafit-oxid nagy érdeklődést váltott ki a grafén , rendkívüli elektronikai tulajdonságokkal rendelkező anyag nagyszabású előállításának és manipulálásának lehetséges útjaként . Maga a grafén-oxid szigetelő , majdnem félvezető , vezetőképesség- különbséggel 1 és 5 × 10 -3  S / cm között 10 V feszültségen  . Mivel azonban a grafén-oxid nagyon hidrofil , nagyon jól diszpergálódik a vízben, és makroszkopikus pelyhekre bomlik, amelyek többnyire vastagak. Elméletileg ezen pelyhek kémiai redukciója grafénpelyhek szuszpenzióját eredményezné.

Részleges redukció elő, hogy a grafén-oxid diszpergált a hidrát a hidrazin , H 2 N-NH 2 át 100  ° C-on 24 órán át, vagy a kitettség egy erős fény impulzusokat, hogy a flash- egy fényképező . Azonban, a grafén kapott ezzel a módszerrel a vezetőképessége kisebb, mint 10  S / cm , a mobilitást a töltéshordozók között 2 és 200  cm 2  V -1  s -1 ) a lyukak és 0,5 és 30  cm 2  V −1  s −1 ) elektronok esetén . Ezek az értékek sokkal nagyobbak, mint az oxidé, de még mindig néhány nagyságrenddel alacsonyabbak, mint a hámlasztással kapott graféné. A grafén-oxid atomi erő mikroszkópos vizsgálata azt mutatja, hogy az oxigén áthidalása torzítja a szénréteget, és kifejezett belső érdességet hoz létre a rétegekben, amely a redukció után is fennmarad. Ezek a hibák a grafén-oxid Raman-spektrumában is megmutatkoznak .

Kapcsolódó anyag

A grafén-oxid pehely szuszpenzióját is szitálhatjuk, hogy visszanyerjük a pelyheket (mint a papírgyártásnál), és megnyomjuk, hogy a papír grafén-oxiddá  (en) nagyon erős legyen.

Megjegyzések

  1. William S. Hummers Jr. és Richard E. Offeman, Grafit-oxid előállítása. , Journal of the American Chemical Society , 1958, vol. 80 (6), pp. 1339–1339. DOI : 10.1021 / ja01539a017 .
  2. Daniel R. Dreyer, Sungjin Park, Christopher W. Bielawski és Rodney S. Ruoff, A grafén-oxid kémia , Chemical Society Reviews , 2010, vol. 39. o. 228–240. DOI : 10.1039 / b917103g .
  3. Benjamin C. Brodie, A grafit atomtömegéről , Proceedings of the Royal Society of London, 1859, vol. 10. o. 249. Online változat .
  4. Dmitry V. Kosynkin, Amanda L. Higginbotham Sinitskii Alexander, Jay R. Lomeda, Ayrat Dimiev B. Katherine Price, James M. Tour, A szén nanocsövek hosszanti kibontása grafén nanoszalagok képződéséhez , Nature , 2009, Vol. 458, pp. 872-876. DOI : 10.1038 / nature07872 .
  5. H. C. Schniepp és mtsai. Funkcionális egygrafénlemezek, amelyek grafit-oxid hasításából származnak . , American Journal of Physical Chemistry, B sorozat, 2006. évf. 110. o. 8535. DOI : 10.1021 / jp060936f .
  6. D. Pandey és mtsai, Scanning probe microscopy study of exfoliated oxidated graphene sheets , Surface Science, 2008, vol. 602 (9, 1607–1613 . DOI : 10.1016 / j.susc.2008.02.025
  7. KA Mkhoyan et al., A grafén-oxid atom- és elektronikus szerkezete. , Nano Letters, 2009, vol. 9. (3), pp. 1058-1063. DOI : 10.1021 / nl8034256 .
  8. . Stankovich és mtsai. A grafikus nanolemezek stabil vizes diszperziói a hámozott grafit-oxid redukcióján keresztül poli (nátrium-4-sztirol-szulfonát jelenlétében. , Journal of Material Chemistry, 2006, 16. évf., 155. o.) . DOI : 10,1039 / b512799h .
  9. AV Talyzin és mtsai. Nanokarbonok grafit-oxid magas hőmérsékleten történő bomlásával különféle nyomásokon, J. Phys. Chem. C, 2009, vol. 113 (26), pp. 11279–11284. DOI : 10.1021 / jp9016272
  10. C. Gomez-Navarro és mtsai, Nano Letters, 2007, vol. 7. (11), o. 3499. DOI : 10,1021 / nl072090c .
  11. Laura J. Cote, Rodolfo Cruz-Silva és Jiaxing Huang, A grafit-oxid és polimerkompozitjának gyors redukciója és mintázata , Journal of the American Chemical Society , 2009, t. 131. o. 11027–11032. DOI : 10.1021 / ja902348k .
  12. (in) AA Firsov , IV Grigorieva , SV Dubonos és Y. Zhang , "  Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films  " , Science , vol.  306, n °  5696,2004. október 22, P.  666–669 ( ISSN  0036-8075 és 1095-9203 , PMID  15499015 , DOI  10.1126 / science.1102896 , online olvasás , hozzáférés : 2019. március 18. )