Grafen Oksit Özellikleri

27 Oca by Grafen Nanoteknoloji

Grafen Oksit Özellikleri

Grafen Oksit, kenarlarında ve bazal düzleminde oksijen içeren fonksiyonel gruplar ile süslenmiş, yüksek derecede oksitlenmiş karbon atomlarından oluşan 2 boyutlu bir nano tabakadır. Bu gruplar onun efsanevi çözünürlüğünü sağlar ve onu nanoteknoloji dünyasında benzersiz kılar.

Grafen oksidin özellikleri, yüksek yüzey alanı, işlevselliği ve iki boyutlu (2D) levha benzeri yapısı nedeniyle benzersizdir.

Oldukça oksitlenmiş karbon atomları bal peteği altıgen kafes modelinde düzenlenmiştir. Bireysel pullar tipik olarak X ve Y yönlerinde nanometre ila mikron genişliğindedir. Tek katmanlı GO tipik olarak 0,7-1,2 nm kalınlığındadır. Grafit oksit ve grafen oksit arasındaki fark, pulların toplam kalınlığıdır. 10 katın üzerindeki kalın malzemeler genellikle grafen değil grafit olarak kabul edilir. Tipik olarak, bir çözücü veya polimer içinde dağılmış bir toz olarak veya bir spin kaplamalı film olarak satılır.

AFM-görüntü-of-Grafen-Oksit-Pulları
Grafen Oksit Pullarının AFM görüntüsü

Ultrasonikasyon veya homojenizatör gibi yüksek kesme yöntemleri kullanılarak suda, polimerlerde, çözücülerde kolayca dağılır.

GO elektriksel olarak yalıtkandır, ancak azaltılarak iletken hale getirilebilir. İndirgeme işlemi, yüzey işlevselliğinin çoğunu ortadan kaldırır ve grafen kafes yapısını geri yükler.

grafen oksidin moleküler yapısı
Grafen Oksitin Moleküler Yapısı

Fiziksel özellikler

Grafen oksidin fiziksel özellikleri, işlevselliğinden bahsetmeden tartışılamaz. GO tipik olarak OH, COOH ve Epoksit grupları dahil olmak üzere>% 40 oksijen grubuna sahiptir. Bu fiziksel özellik, Di su, NMP, DMF, THF, Etanol ve diğer polar çözücülerde grafen oksit dağılımını mümkün kılar. Tamamen oksitlendiğinde grafen oksit, 2.1 ile 2.9 arasında bir C: O oranına sahip açık kahverengi (ten rengi) renkli katı bir tozdur. Bu özellikler grafen okside efsanevi çözünürlüğü ve üstün dispersiyon özellikleri verir.

Bireysel katmanlar grafitin yapısını korurlar ancak aralarında çok daha büyük ve düzensiz bir boşluk vardır. Pullar tipik olarak yüzlerce nanometre ila onlarca mikron genişliğindedir.

Elektronik Özellikler

Grafen oksidin elektronik özellikleri, sp2 bağlanma ağlarını bozan oksidasyondan kaynaklanan yapısal kusurlar nedeniyle bozulmamış (CVD veya Epitaksiyel grafen) grafen ile karşılaştırılamaz. Grafen oksit iletkenliğini iyileştirmek için azaltılabilir ve gerçek dünya uygulamaları için birçok avantaj sağlar. Ek olarak, iletkenliği artırmak için daha iletken malzemelerle eşleştirilebilir.

Optik özellikler

GO’nun optik özellikleri onu optik olarak şeffaf bir malzeme haline getirir. Tamamen şeffaf olmasa da, 5 katmandan daha az kalın GO filmlerle% 90’ın üzerinde optik şeffaflık elde edilebilir. Her grafen tabakası şeffaflığı yaklaşık% 2 oranında azaltır. Şeffaf iletken mürekkepler ve filmler, GO’nun karbon nanotüpler veya gümüş nanoteller ile birleştirilmesiyle yapılabilir.

Termal Özellikler

Grafenin üstün termal özellikleri büyük ilgi uyandırmıştır, bu nedenle grafen termal yönetim uygulamaları için incelenmiştir. Tek katmanlı grafenin yüksek ısı iletkenliği vardır, ancak veriler, yalnızca bir katman daha eklenmesinin termal iletkenliğini büyük ölçüde azalttığını göstermektedir. Ara katman aralığı, termal iletkenlik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, yani katman sayısı ve aralarındaki boşluk, genel termal iletkenliği azaltabilir.

Grafen oksidin ısıl iletkenliği, benzer ara katman aralığına sahip dökme grafitten daha yüksektir. Artan ara katman aralığı ve oksijen gruplarının varlığı fonon saçılımını artırır. Yüksek termal iletkenliği, oksijen atomları tarafından sağlanan kovalent etkileşimler nedeniyle artan ara katmanlar bağlanmasına bağlanabilir.

grafen oksit termal iletkenlik
Grafen Oksit Termal İletkenlik

Termal iletkenlik ile (a) oksijen atomlarının kapsamı (içi dolu kırmızı kare ile kırmızı çizgi) arasındaki ilişki (b) hidrojen atomları (içi dolu mavi daireli mavi çizgi); (c) oksijen atom ağırlığını taklit eden kütle kusurları (açık kırmızı kare ile kırmızı çizgi); (d) hidrojen atom ağırlığını taklit eden kütle kusurları (açık mavi daireli mavi çizgi).

Insets, simülasyonlardan alınan temsili yapıları gösterir. Camgöbeği toplar karbon atomlarını, kırmızı toplar oksijen atomlarını ve yapay oksijen atomlarını ve mavi toplar hidrojen atomlarını ve yapay hidrojen atomlarını temsil eder. Tüm durumlar için örnek uzunluğu L = 20 nm’dir. Fotoğraf : TLuo / CC BY 2.0

Araştırmalar, GO’nun termal iletkenliğinin, mevcut oksijen gruplarının miktarıyla doğrudan ilişkili olduğunu göstermektedir. % 0.5 oksijen gruplarında, GO’nun ısıl iletkenliği bozulmamış grafenden ~% 50 daha azdır. Oksijen içeriği arttıkça ısıl iletkenliği azalır. Dergi makalelerinde gerçekleştirilen minimum GO ısıl iletkenliği yaklaşık 8,8 W / mK olup, teorik minimum ısıl iletkenlik olan 11,6 W / mK değerinden daha düşüktür. Bu, oksidasyonu ve indirgemeyi kontrol ederek grafen oksitteki termal taşınımı uyarlayabileceğimizi gösteriyor.

Mekanik özellikler

Grafen oksidin mekanik özellikleri, bozulmamış grafenden çok daha düşüktür. Tek tabakalı grafen oksit, Young modülü ~ 1.0 TPa ve nihai kırılma mukavemeti ~ 1.0 olan “bozulmamış” grafen için bildirilen değere kıyasla daha düşük etkili Young modülüne (0.7 nm kalınlık kullanıldığında 207.6 ~ 23.4 GPa) sahiptir. Lee ve ark. Tarafından bildirildiği üzere 130 Gpa. Oksidasyon sırasında oluşan grafitik yapıdaki kusurlardan dolayı özellikler azalır. GO’nun azaltılması mekanik özellikleri iyileştirebilir ve grafitik yapıyı eski haline getirebilir.

Çözüm İşleme Özellikleri

GO’nun birçok çözücü ve polimerdeki yüksek çözünürlüğü, grafen oksidin çözelti işleme özelliklerini sağlar. Yarık kalıp, elek, gravür veya diğer baskı yöntemleri kullanılarak bir substrat üzerine eğrilebilir, daldırılabilir veya kaplanabilir. Bir bilgisayarda bir DVD yazıcı kullanıldığında bile bir lazerle desenlenebilir ve küçültülebilir.

Grafen Oksit Tarihi

karbon allotropları
Karbon Allotropları

Grafen oksidin geçmişi 150 yıl öncesine dayanıyor! Başlangıçta grafit oksit olarak adlandırıldı, ilk olarak 1859’da Oxford Üniversiteleri kimyager Benjamin Brodie tarafından, grafit pullarının potasyum klorat ve dumanlı nitrik asitle soyulmasıyla hazırlandı. William Hummers ve Richard Offeman, 1957’de Hummers yöntemini geliştirerek sülfürik asit, sodyum nitrat ve potasyum permanganat kullanarak süreci daha hızlı ve daha güvenli hale getirdi. Bu süreç, çevre ve güvenlik endişelerini en aza indirmek için bazı modifikasyonlarla bugün hala kullanılmaktadır. Hummer’ın böyle değiştirilmiş yöntemlerinden biri de Tur yöntemidir.

Sentez Yöntemi

Grafen-Oksit - & - İndirgenmiş-Grafen-Oksit-İşlem Akışı
Grafen Oksit ve İndirgenmiş Grafen Oksit İşlem Akışı  Fotoğrafı : TLuo / CC BY 2.0

Modifiye edilmiş bir Hummer’ın yöntem sentez yöntemi tipik olarak, grafiti potasyum permanganat, hidrojen peroksit, sülfürik ve hidroklorik asitler gibi güçlü oksitleyicilerle işleyerek kimyasal işlemde grafitten GO yapmak için kullanılır.

Bu kimyasal işlem, grafiti tek veya birkaç atomik katman yaprağına döker, ara katman yapısını genişletir ve fonksiyonel grupları ekler.

Oksijen içeren fonksiyonel grupların türü ve miktarı grafen oksidi hidrofilik yapar, bu da suda çözünür olduğu anlamına gelir.

Başlangıçta grafit oksit olarak adlandırılan Grafen oksit sentezi, grafitin güçlü oksitleyicilerle, tipik olarak potasyum permanganat ve sülfürik asitle reaksiyona sokulmasını içerir ve durulama suyu süzüntüsü PH nötr olana kadar durulanır ve santrifüjlenir.

Daha sonra çözünürlüğü korumak için dondurularak kurutulur. Bazı üreticiler GO’nun saflaştırılmasında diyalizi bile kullanır. GO, sentez sırasında üretilen alkali tuz yan ürünleri ile kirlendiğinde, tuz katalizli karbon yanması nedeniyle oldukça yanıcı hale gelir. GO ürünümüz son derece saftır ve yanıcılık söz konusu değildir.

Dökme ürün, grafitin katman yapısını koruyan, ancak çok daha büyük ve düzensiz aralıklarla kahverengimsi / sarımsı katı bir malzemedir.

Dört yaygın grafen oksit sentez yöntemi vardır: Staudenmaier, Hofmann, Brodie ve Hummers. Bu yöntemlerin varyasyonları, değiştirilmiş bir hummers yöntemi olan Tur yöntemi de dahil olmak üzere mevcuttur. Sentezi, daha tutarlı bir kalite sağlamak, çevresel endişeleri azaltmak ve maliyetleri düşürmek için sürekli olarak incelenmekte ve geliştirilmektedir.

Oksidasyon süreci tipik olarak karbon / oksijen oranı ile değerlendirilir,>% 40 kabul edilebilir olarak kabul edilir.

Grafen Oksit Uygulamaları

grafen oksit uygulamaları
Grafen Oksit Uygulamaları

Grafen oksit uygulamaları kataliz, ilaç dağıtımı, güneş enerjisi, pil, doku iskelesi, su tuzdan arındırma  ve diğer birçok alanı içerir . Yüksek çözünürlüğü ve azaltılabilme yeteneği, çözüm işlemeyi mümkün kılarak onu arzu edilen bir nanomateryal haline getirir. GO, diğer karbon nanotüplerle ilişkili iyi bilinen dispersiyon problemlerinin üstesinden gelir.

Elektronik Uygulamalar

Elektronik cihazlar, materyallerden en az biri için başlangıç ​​materyali olarak GO kullanılarak üretilmiştir. Alan etkili transistörler, RGO’nun yanı sıra kimyasal sensörler ve biyosensörler kullanılarak üretilmiştir.

Görünür ışık aralığındaki şeffaf elektrotlar, ışık yayan diyotlar (LED’ler ve OLED’ler) ve güneş pili cihazları için önemlidir. Şeffaf elektrotlara ek olarak, RGO bir delik taşıma katmanı olarak kullanılmıştır.

Enerji Depolama  Uygulamaları

RGO nanokompozitler, lityum iyon pillerde yüksek kapasiteli enerji depolaması için kullanılmıştır. Fe 3 O 4 veya Fe 2 O  gibi elektriksel olarak yalıtkan metal oksit nanopartiküller , RGO’ya bağlanabilir ve pillerdeki performansını artırabilir. Enerji depolama kapasitesi ve döngü kararlılığının, Fe 3 O 4   , saf Fe 3 O 4’e karşı RGO’ya bağlandığında arttığı gösterilmiştir  Yüksek yüzey alanı GO, pul pul dökülme için mikrodalgalar kullanılarak sentezlenmiştir ve azaltılabilir. Yüksek yüzey alanlı RGO, süper kapasitörlerde enerji depolama malzemesi için de kullanılır.

Biyomedikal Uygulamalar

Çalışmalar, GO’nun biyouyumluluğunun iyi olduğunu ve ilaç dağıtımında kullanılmasının yolunu açtığını göstermiştir. Oksidatif strese neden olmaz çünkü hazırlığı metal katalizörleri içermez ve karbon nanotüpler (CNTa) gibi diğer karbon nanomateryallerinin aksine metal safsızlıklarını önler. Yüzeydeki fonksiyonel gruplar, kovalent, kovalent olmayan (π-π veya hidrofobik) ve / veya iyonik etkileşimler yoluyla çok çeşitli organik ve inorganik moleküllerle başarılı etkileşime izin verir. Bu, ilaç verme uygulamaları için GO’nun kullanılmasını sağlar.

Yapısı

grafen oksidin 2D-levha benzeri-Yapısı
Grafen Oksit’in 2D Tabaka Benzeri Yapısı

Grafen oksidin 2D yapısı yukarıda gösterilmiştir. Mevcut fonksiyonel grupların türü ve miktarı, GO’nun diğer nanomalzemelere kıyasla efsanevi çözünürlüğünü verir. Di Water, NMP, DMF, THF, DCB, Etanol, polimerler veya diğerleri gibi polar çözücülere dağılırken yüzey aktif maddelere ihtiyaç duyulmaz.

 

Moleküler ağırlık

Grafen oksidin kimyasal formülü ve moleküler ağırlığı aşağıdadır.

Kimyasal formül: 140 H 42 O 20
Moleküler ağırlık: 2043.856 g / mol

İndirgenmiş Grafen Oksit

İndirgenmiş Grafen Oksit
İndirgenmiş Grafen Oksit

İndirgenmiş grafen oksit, normal GO olarak sentezlenir ve sonra indirgenir. İndirgeme, yüzey işlevselliğini ortadan kaldırır ve moleküler yapıyı GO’dan daha bozulmamış grafene daha yakın bir hale getirir.

İndirgeme tipik olarak kimyasal, termal veya elektrokimyasal bir işlemdir. Diğer teknikler, bozulmamış grafene benzer şekilde çok yüksek kalitede rGO üretebilir, ancak uygulanması karmaşık ve zaman alıcı olabilir.

Grafen Oksit İndirgeme Yöntemleri:

Hidrazin hidrat ile muamele etmek ve solüsyonu 100c’de 24 saat tutmak

Hidrojen plazmasına maruz kalma

Xenon, UV veya lazer gibi güçlü bir darbeli ışığa (fotoğraf sinterleme) maruz bırakma

Distile suda farklı süreler için değişen derecelerde ısıtma

Bir fırında çok yüksek seviyelere ısıtma

Mikrodalgada doğrudan ısıtma

Elektrokimyasal yöntemler

Oluşturan bir gaz atmosferinde 40 ° C’ye ısıtma (% 95 argon,% 5 hidrojen)

Kimyasal azaltma oldukça ölçeklenebilir bir yöntemdir, ancak elde edilen yüzey alanı ve elektronik iletkenlik genellikle birçok uygulama için yeterince yüksek değildir.

GO’nun 1000 ℃ üzerindeki sıcaklıklara ısıtılması, çok yüksek yüzey alanına sahip RGO oluşturur ancak tavlama işlemi, basınç oluştuğunda ve karbondioksit salındığında yapıya zarar verir. İndirgeme işlemi, kütlesini ~% 30 oranında azaltabilir ve elektronik özelliklerini iyileştirebilir .

Elektrokimyasal indirgemenin çok yüksek kaliteli RGO ürettiği gösterilmiştir, yapı bakımından bozulmamış grafen ile hemen hemen aynıdır, ancak diğer yöntemlerden daha yavaş olabilir.

RGO seçici olarak işlevselleştirilebilir, çözücü / matris ile uyumluluğunu artırabilir veya RGO’yu diğer iki boyutlu malzemelerle birleştirirken yeni bileşikler oluşturabilir. Yüzey kimyası, uygulama ile uyumluluk için özelleştirilebilir.

Grafen Oksit Fiyat

Grafen Oksit fiyatı, üretim hacimleri ve saflaştırma derecesine göre belirlenir. Ürünlerin çoğu 75-225 $ / g arasındadır, ancak bazı varyasyonların maliyeti 450 $ / g’dır.

Ürünlerimiz yıkanır ve filtrat pH nötr olana kadar 15 kez santrifüjlenir. Daha sonra çözünürlüğü korumak için dondurularak kurutulur ve bir buzdolabında saklanır. Tüm tedarikçiler bu adımları atmıyor.

Bu işlem, düşük pH’lı çözelti halinde GO satan şirketlerin kullandığı işlemlerden daha pahalıdır. Düşük pH, yıkama ve santrifüj döngülerini azaltmaları ve asidik bir çözeltisidir.

GO’nun raf ömrü, işlevsellik azalmaya başlamadan yaklaşık 6 aydır, ancak yine de daha uzun süre kullanılabilir. Bir laboratuvar buzdolabında saklamanızı öneririz.