Oxid grafitu

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 30. října 2018; kontroly vyžadují 8 úprav .

Oxid grafitu (oxid grafenu) je sloučenina uhlíku , vodíku a kyslíku v různých poměrech, která vzniká působením silných oxidačních činidel na grafit [1] . Nejvíce oxidované formy jsou žluté pevné látky s poměrem C:O v rozmezí od 2,1 do 2,9.

Existuje mnoho modelů pro strukturu oxidu grafitu. To je způsobeno skutečností, že se jedná o berthollid a má složitou amorfní strukturu, stejně jako nedostatek analytických metod pro charakterizaci takových materiálů.

Hlavní část oxidu grafitu se používá k přípravě dispergovaného systému s alkáliemi k získání monomolekulárních vrstev, které se nazývají oxid grafenu (analogicky s grafenem , což je jednovrstvá forma grafitu) [2] .

Listy oxidu grafenu byly použity k vytvoření velmi pevného materiálu, který se podobá papíru, a jako meziprodukt k získání grafenu (od roku 2010 to není možné, protože grafen produkovaný těmito reakcemi má stále mnoho chemických a strukturálních defektů) [2 ]

Historie objevů

Oxid grafitu byl poprvé připraven oxfordským vědcem Benjaminem Brodym v roce 1859 ošetřením grafitu směsí chlorečnanu draselného a kyseliny dusičné . V roce 1957 našli vědci William Hammers a Richard Offerman spolehlivější, rychlejší a efektivnější proces využívající směs kyseliny sírové H 2 SO 4 , dusičnanu sodného NaNO 3 a manganistanu draselného KMnO 4 [3] . Tato metoda je stále rozšířená a stále se používá k syntéze oxidu grafitu.

Nedávno[ kdy? ] směs H 2 SO 4 a KMnO 4 byla použita k podélnému „řezání“ uhlíkových nanotrubiček [4] , čímž vznikly mikroskopické ploché proužky grafenu dlouhé několik atomů, se „stříškami“ atomů kyslíku nebo hydroxylových skupin [ 3] .

Oxid grafitu lze připravit také metodou Tan-Lau, která využívá glukózu . Tato metoda je bezpečnější, jednodušší a šetrnější k životnímu prostředí než tradiční reakce využívající silná oxidační činidla . Další důležitou výhodou Tan-Lauovy metody je snadná kontrola tloušťky [5] .

Struktura

Struktura a vlastnosti oxidu grafitu závisí na konkrétním způsobu syntézy a stupni oxidace. Vrstvy jsou obvykle zachovány, jako u grafitu, ale vzdálenost mezi nimi se ve srovnání s grafitem zvětší asi dvakrát (~0,7 nm). Přísně vzato, „ oxid “ je nesprávné pojmenování, ale historicky zavedené jméno. Kromě epoxidových skupin existují další experimentálně stanovené funkční skupiny, například karbonylová , hydroxylová, fenolová . Existují důkazy o "ohybech" a praskání desek oxidu grafenu během nanášení vrstev na substrát. Detailní struktura stále není pochopena kvůli silné neuspořádanosti a nepravidelnému shlukování vrstev [3] .

Tloušťka vrstev oxidu grafenu je asi 1,1 ± 0,2 nm. Pomocí tunelové mikroskopie byly nalezeny lokální oblasti, kde jsou atomy kyslíku umístěny v konstantní mřížce 0,27 nm × 0,41 nm, okraje každé vrstvy jsou odříznuty karboxylovými a karbonylovými skupinami. Rentgenová fotoelektronová spektroskopie ukazuje přítomnost atomů uhlíku v kruzích, které neobsahují kyslík (284,8 eV), CO (286,2 eV) v C=O (287,8 eV) a v OC=O (289,0 eV) [6] .

Oxid grafitu snadno hydratuje , což má za následek zvětšenou mezirovinnou vzdálenost (až 1,2 nm v nasyceném stavu). V mezivrstvě je také obsažena další voda kvůli účinkům vyvolaným vysokým tlakem [7] . Hlavní produkt absorbuje vlhkost z okolního vzduchu úměrně vlhkosti. Úplné odstranění vody je velmi obtížné, protože ohřev na 60-80 °C vede k částečnému rozkladu a degradaci materiálu. Stejně jako voda, oxid grafitu také snadno zahrnuje další polární rozpouštědla, jako jsou alkoholy (stejně jako DMF a N-methylpyrrolidon). Separace vrstev oxidu grafitu je úměrná velikosti molekuly alkoholu, do struktury se za vysokého tlaku vkládají další monovrstvy [8] .

Oxid grafitu se rozkládá rychlým zahřátím při středně vysokých teplotách (~280–300 °C) za vzniku jemně rozptýleného amorfního uhlíku, trochu jako aktivní uhlí . Saze se skládají z nejtenčích grafitových vloček o tloušťce 2–5 nm, jejichž průměr může v závislosti na povaze původního grafitu dosahovat několika setin milimetru. Protože se tím uvolňuje kyslík vázaný ve formě CO a CO 2 v oxidu grafitu, je možné, že se v mřížce grafitu objeví dutiny atomových rozměrů.

Aplikace

Díky specifické dvourozměrné struktuře a existenci různých funkčních skupin obsahujících kyslík má oxid grafitu mnoho aplikací v široké škále oblastí [2] .

Superkondenzátory

Hydroxid draselný restrukturalizuje oxid grafitu a vytváří trojrozměrnou porézní strukturu. Každá z jeho stěn má atomovou tloušťku a povrchová plocha "aktivovaného" oxidu grafitu dosahuje 3100 m² / g. Materiál má také vysokou elektrickou vodivost . Průměr většiny pórů v hotových vzorcích spadá do rozmezí 0,6–5 nm. V experimentech superkondenzátor postavený s použitím nového elektrodového materiálu vykazoval velmi dobrou gravimetrickou kapacitu a hustotu energie, která se blíží kapacitě olověných baterií. Po 10 000 cyklech nabití/vybití „aktivovaný“ oxid grafitu pokračoval v provozu na 97 % své původní kapacity.

Heavy duty paper

Po rozpuštění ve vodě se oxid grafitu rozdělí na vrstvy oxidu grafenu. Vzniklý roztok se filtruje přes speciální membránu, na které jsou vrstvy opět navázány, ale již do mnohem pevnější struktury než grafit - grafenový papír. Vrstvy běžného grafitu jsou spojeny velmi slabě a spoje se snadno lámou. U grafenového papíru jsou naopak vrstvy propletené, takže zátěž může být rovnoměrně rozložena po celé struktuře, díky čemuž je velmi pevná. Způsob, jakým se vrstvy proplétají, umožňuje jejich mírný vzájemný pohyb, díky čemuž je celá struktura flexibilní. Důležitější je, že je možné chemicky řídit vlastnosti daného materiálu změnou množství kyslíku ve vrstvách. Například jeho zmenšením lze z dielektrického papíru udělat dobrý vodič. Plánuje se také zavedení různých polymerů a kovů do struktury grafenového papíru , čímž vzniknou kompozity, které jsou svými vlastnostmi lepší než čistý grafen i dopant.

Výzkum DNA

Velký plochý povrch oxidu grafenu umožňuje současné zkoumání více DNA sond značených různými barvivy, což umožňuje detekci více cílových DNA ve stejném roztoku. Další pokrok v hledání senzorů na bázi oxidu grafenu a DNA může vést k vytvoření levných systémů pro expresní analýzu DNA [9] . V lékařství pro léčbu rakoviny mozku, rakoviny štítné žlázy atd.

Poznámky

  1. ↑ 1 2 He H., Klinowski J., Forsterb M., Lerf A. Nový strukturální model pro oxid grafitu  //  Chemical Physics Letters. - 1988. - Sv. 287 , č.p. 1-2 . - str. 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. - Sv. 128 , č.p. 24 . - str. 7720-7721 . - doi : 10.1021/ja060680r .
  3. ↑ 1 2 3 Hummers Jr. WS, Offeman RE Příprava grafitového oxidu  //  J. Am. Chem. soc. - 1958. - Sv. 80 , č. 6 . — S. 1339 . - doi : 10.1021/ja01539a017 .
  4. ↑ Kosynkin DV, Higginbotham AL, Sinitskii A., Lomeda JR, Dimiev A., Price BK, Tour JM Podélné rozepínání uhlíkových nanotrubic za účelem vytvoření grafenových nanorušek   // Nature . - 2009. - Sv. 458 , č.p. 7240 . - S. 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 Syntéza velkoplošných grafenoxidových nanolistů zdola nahoru  //  J. Mater . Chem. - 2012. - Sv. 22 . - S. 5676-5683 . - doi : 10.1039/C2JM15944A .
  6. ↑ Stankovich S., Piner RD, Chen X., Wu N., Nguyen ST, Ruoff RS Stabilní vodné disperze grafitických nanodestiček prostřednictvím redukce exfoliovaného oxidu grafitu v přítomnosti poly(4-styrensulfonátu sodného  )  / / J. Mater . Chem. - 2006. - Sv. 16 . - S. 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 . Chem. Int. Ed. - 2008. - Sv. 47 , č. 43 . - S. 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. - Sv. 131 , č.p. 51 . - S. 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. Grafenová nanosonda pro rychlé, citlivé a vícebarevné Fluorescenční analýza DNA  (anglicky)  // Pokročilé funkční materiály. - 2010. - Sv. 20 , č. 3 . - str. 453-459 . - doi : 10.1002/adfm.200901639 .

Odkazy

 Oxidy uhlíku
Obyčejné oxidy kysličník uhelnatý
Exotické oxidy
Polymery
Deriváty oxidů uhlíku