Bir makalede grafen oksidi (grafen oksit) anlayın!
Grafen oksit nedir?
Grafen oksit, yüksek oranda oksitlenmiş karbon atomlarından oluşan, oksijen içeren fonksiyonel grupların kenarlarında ve alt tabaka düzleminde dekore edilmiş iki boyutlu bir nano tabakadır.
Grafen oksidin özellikleri
Grafen oksit, yüksek yüzey alanı, işlevselliği ve iki boyutlu (2D) levha benzeri yapısı nedeniyle benzersiz özelliklere sahiptir.
Oldukça oksitlenmiş karbon atomları, bal peteği şeklindeki altıgen kafes şeklinde düzenlenmiştir.
Tek bir pul genellikle nanometreden mikrometreye kadar X ve Y yönlerinde genişliğe sahiptir.
Tek bir grafen oksit tabakasının kalınlığı genellikle 0,7-1,2 nm'dir.
Grafit oksit ile grafen oksit arasındaki fark, pulların toplam kalınlığıdır.
10'dan fazla katmanı olan malzemeler genellikle grafen değil grafit olarak kabul edilir.
Grafen oksit tabakasının AFM görüntüsü
Homojenizatör gibi ultrasonik veya yüksek kesme yöntemleri kullanılarak suda, polimerlerde, çözücülerde kolaylıkla dağılır.
Grafen oksit elektriksel olarak yalıtkandır, ancak fonksiyonel grupları azaltarak elektriği iletebilir. İndirgeme işlemi, yüzey işlevlerinin çoğunu ortadan kaldırdı ve grafen kafes yapısını restore etti.
Grafen oksidin moleküler yapısı
Fiziki ozellikleri
Grafen oksidin işlevselleşmesini tartışmazsak, fiziksel özelliklerini tartışamayız. Grafen oksit genellikle OH, COOH ve epoksi grupları dahil olmak üzere% 40 oksijen grubuna sahiptir. Bu fiziksel özellik, grafen oksidin Di su, NMP, DMF, THF, etanol ve diğer polar çözücüler içinde dağılmasına izin verir. Grafen oksit, 2,1 ile 2,9 arasında karbon: oksijen oranına sahip açık kahverengi (ten rengi) katı bir tozdur. Bu özellikler grafen okside olağanüstü çözünürlük ve üstün dispersiyon özellikleri verir. Bireysel katmanlar grafit yapıyı korur, ancak aralarındaki boşluk daha büyük ve düzensizdir. Pullar genellikle yüzlerce nanometre ila onlarca mikron genişliğindedir.
Elektronik özellikler
Grafen oksidin elektronik özellikleri orijinal grafenle (CVD veya epitaksiyel grafen) karşılaştırılamasa da, oksidasyona bağlı yapısal kusurlar sp2 bağ ağını yok edecektir. Grafen oksidin iletkenliğini artırmak için kullanılabilir ve pratik uygulamalar için birçok avantaj sağlar. Ek olarak, iletkenliği iyileştirmek için daha iletken malzemelerle eşleştirilebilir.
Optik özellikler
Grafen oksidin optik özellikleri onu optik olarak şeffaf bir malzeme haline getirir. Tamamen şeffaf olmamasına rağmen, 5 katmandan daha az kalınlığa sahip bir grafen oksit film ile% 90'ın üzerinde optik şeffaflık elde edilebilir. Her bir grafen tabakası şeffaflığı yaklaşık% 2 oranında azaltacaktır. Grafen oksit ve karbon nanotüpler veya gümüş nanoteller, şeffaf iletken mürekkepler ve filmler yapmak için birleştirilebilir.
Termal performans
Grafenin mükemmel termal özellikleri büyük ilgi uyandırmıştır, bu nedenle termal yönetim uygulamaları için grafen kullanılmaktadır. Tek katmanlı grafenin yüksek bir termal iletkenliği vardır, ancak veriler, başka bir grafen katmanı eklemenin termal iletkenliğini büyük ölçüde azaltacağını göstermektedir. Katman aralığı, termal iletkenlik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, yani katman sayısı ve katman aralığı, genel termal iletkenliği azaltacaktır.
Katman aralığı benzer olduğunda, grafen oksidin ısıl iletkenliği, dökme grafitinkinden daha yüksektir. Ara katman aralığını ve oksijen radikallerinin varlığını artırmak, fonon saçılımını artırır. Yüksek termal iletkenliği, oksijen atomları tarafından sağlanan kovalent etkileşim nedeniyle artan ara katmanlar bağlantısına bağlanabilir.
Grafen oksit ısıl iletkenliği
Termal iletkenlik ve (a) oksijen atomu kapsamı (kırmızı çizgi ve düz kırmızı kare) arasındaki ilişki;
(b) Hidrojen atomu (mavi çizgi artı düz mavi daire);
(c) Oksijen atomlarının ağırlığını simüle eden kütle kusurları (kırmızı çizgi ve açık kırmızı kare);
(d) Hidrojen atomlarının ağırlığını simüle eden bir kütle kusuru (mavi çizgi ve açık mavi daire).
Resim, simülasyonun temsili yapısını göstermektedir. Mavi toplar karbon atomlarını, kırmızı toplar oksijen atomlarını ve yapay oksijen atomlarını, mavi toplar ise hidrojen atomlarını ve yapay hidrojen atomlarını temsil eder.
Çalışmalar, grafen oksidin ısıl iletkenliğinin doğrudan oksijen gruplarının varlığıyla ilişkili olduğunu göstermiştir. % 0.5 oksijende, grafen oksidin termal iletkenliği, orijinal grafenden yaklaşık% 50 daha düşüktür. Oksijen içeriği arttıkça ısıl iletkenliği azalır.
Bir günlük makalesinde grafen oksidin minimum termal iletkenliği yaklaşık 8,8 W / mK'dir ve bu, 11,6 W / mK olan teorik minimum termal iletkenlikten daha düşüktür. Bu, oksidasyonu ve indirgemeyi kontrol ederek grafen oksidin ısı taşınmasını ayarlayabileceğimizi gösteriyor.
Mekanik davranış
Grafen oksidin mekanik özellikleri, orijinal grafenden çok daha düşüktür. Tek katmanlı grafen oksit, rapor edilen "ham" grafen değeriyle karşılaştırıldığında düşük etkili Young modülüne (0.7 nm kalınlık kullanıldığında 207.6 ~ 23.4 GPa) sahiptir ~ 1.0 TPa Young modülü, ~ 130 GPa nihai mukavemet Li ve ark. Oksidasyon işlemi sırasında oluşan grafit yapısal kusurlar grafitin performansını düşürür. Grafen oksidin indirgenmesi, mekanik özelliklerini iyileştirebilir ve grafitleştirilmiş yapıyı eski haline getirebilir.
Grafen oksit aksiyon sahnesi
Grafen oksidin çeşitli çözücüler ve polimerlerde yüksek çözünürlüğü, ona grafen oksidin çözelti işleme performansını verir. Yarık kalıp, elek, gravür veya diğer baskı yöntemleri kullanılarak bir substrat üzerine eğrilebilir, daldırılabilir veya kaplanabilir. Grafiksel olarak ve bir lazerle geri yüklenebilir ve hatta bir DVD yazıcı kişisel bir bilgisayarda kullanılabilir.
Grafen oksit tarihi
Karbon allotrop
Grafen oksidin geçmişi 150 yıldan daha uzun bir süre önce izlenebilir! Başlangıçta grafit oksit olarak adlandırıldı ve ilk olarak 1859'da Oxford Üniversitesi kimyager Benjamin Brody tarafından potasyum klorat ve grafit pullarını pul pul dökmek için dumanlı nitrik asit ile hazırlandı. William Hummers ve Richard Offeman, üretim sürecini daha hızlı ve daha güvenli hale getirmek için sülfürik asit, sodyum nitrat ve potasyum permanganat kullanarak 1957'de Hummers yöntemini geliştirdi. Bu süreç bugün hala kullanılmaktadır ve çevre ve güvenlik üzerindeki etkiyi en aza indirmek için bazı değişiklikler yapılmıştır.
çözümü çözmek
Grafen oksit ve grafen oksit proses akışını azaltır
Geliştirilmiş Hummer sentez yöntemi, grafiti işlemek ve kimyasal bir işlemde grafitten grafit oksit elde etmek için genellikle potasyum permanganat, hidrojen peroksit, sülfürik asit ve hidroklorik asit gibi güçlü oksidanlar kullanır. Bu kimyasal işlem, grafiti tek veya birkaç atomik katmana döker, ara katman yapısını genişletir ve fonksiyonel grupları artırır.
Oksijen içeren fonksiyonel grupların türü ve sayısı, grafen oksidi hidrofilik yapar, bu da suda çözünür olduğu anlamına gelir. Grafen oksit, başlangıçta grafen oksit olarak adlandırılırdı. Sentezi, grafitin güçlü oksidanlar (genellikle potasyum permanganat ve sülfürik asit) ile reaksiyonunu, ardından yıkama suyu filtratının pH'ı nötr olana kadar yıkama ve santrifüjlemeyi içerir. Daha sonra çözünürlüğü korumak için dondurularak kurutulur.
Bazı üreticiler grafen oksidi saflaştırmak için diyaliz bile kullanıyor. Grafen oksit, sentez işlemi sırasında üretilen alkali tuz yan ürünleri tarafından kirletildikten sonra, karbonun tuz katalizli yanması nedeniyle grafen oksit oldukça yanıcıdır.
Grafen oksit için dört yaygın sentetik yöntem vardır: Staudenmaier, Hofmann, Brodie ve Hummers. Gelişmiş bir hummers yöntemi olan Tour yöntemi dahil olmak üzere bu yöntemlerin çeşitleri mevcuttur. Sentezi, daha tutarlı kalite sağlamak, çevresel sorunları azaltmak ve maliyetleri düşürmek için sürekli olarak araştırılır ve geliştirilir.
Oksidasyon süreci genellikle karbonun oksijene oranıyla değerlendirilir. > % 40 kabul edilebilir.
Grafen oksit kullanımı
Grafen oksit uygulamaları
Grafen oksidin uygulama alanları arasında kataliz, ilaç dağıtımı, güneş enerjisi, piller, doku iskeleleri, deniz suyu tuzdan arındırma ve diğer birçok alan bulunmaktadır. Yüksek çözünürlüğü ve azaltılmış yeteneği, çözelti işlemeyi mümkün kılarak onu ideal bir nanomateryal yapar. Grafen oksit, diğer karbon nanotüplerle ilişkili iyi bilinen dispersiyon problemlerinin üstesinden gelir.
Elektronik uygulama
En az bir malzeme, elektronik cihazlar yapmak için başlangıç malzemesi olarak grafen oksit kullanır. Alan etkili transistörler, RGO, kimyasal sensörler ve biyosensörler kullanılarak üretildi. Görünür aralıktaki şeffaf elektrotlar, ışık yayan diyotlar (LED'ler ve OLED'ler) ve güneş pili cihazları için çok önemlidir. Şeffaf elektrotlara ek olarak, RGO ayrıca bir delik taşıma katmanı olarak da kullanılır.
Enerji depolama uygulaması
RGO nanokompozitler, lityum iyon pillerde yüksek kapasiteli enerji depolaması için kullanılmıştır. Fe3O4 veya Fe2O3 gibi elektriksel olarak yalıtkan metal oksit nanopartiküller, RGO'ya bağlanabilir ve pillerdeki performansını artırabilir. Saf Fe3O4 ile karşılaştırıldığında, Fe3O4 RGO ile bir bağ oluşturduğunda, enerji depolama kapasitesi ve döngü kararlılığı iyileştirilir. Yüksek yüzey alanlı grafen oksit, grafen oksidin oksidasyon yeteneğini azaltabilen mikrodalga pul pul dökülme ile sentezlenir. Yüksek yüzey alanlı RGO, süper kapasitörler için bir enerji depolama malzemesi olarak da kullanılır.
Biyomedikal uygulamalar
Çalışmalar, grafen oksidin iyi bir biyouyumluluğa sahip olduğunu ve ilaç dağıtımındaki uygulamasının temelini oluşturduğunu göstermiştir. Karbon nanotüpler (CNTa) gibi diğer karbon nanomateryallerinin aksine, hazırlanması metal katalizörler veya metal safsızlıklar gerektirmediğinden oksidatif strese neden olmaz. Yüzeydeki fonksiyonel gruplar, çeşitli organik ve inorganik moleküllerle başarılı kovalent, kovalent olmayan (- veya hidrofobik) ve / veya iyonik etkileşimlere izin verir. Bu, ilaç verme uygulamaları için grafen oksidin kullanılmasını mümkün kılar.
yapı
Grafen oksidin iki boyutlu katmanlı yapısı
Grafen oksidin iki boyutlu yapısı yukarıda gösterilmiştir. Fonksiyonel grupların türü ve sayısı onu diğer nanomalzemelere göre daha çözünür kılar. Yüzey aktif maddelerin Di su, NMP, DMF, THF, DCB, etanol, polimerler veya diğerleri gibi polar çözücüler içinde dağıtılmasına gerek yoktur.
Moleküler ağırlık
Grafen oksidin kimyasal formülü ve moleküler ağırlığı aşağıdaki gibidir.
Kimyasal formül: C140H42O20
Molekül ağırlığı: 2043.856 g / mol
İndirgenmiş grafen oksit
İndirgenmiş grafen oksit
İndirgenmiş grafen oksit, geleneksel grafen okside göre sentezlenir ve sonra indirgenir. İndirgeme işlemi, yüzeyin işlevini ortadan kaldırır ve moleküler yapıyı grafen okside göre orijinal grafene daha yakın bir yapıya indirger. İndirgeme genellikle kimyasal, termal veya elektrokimyasal bir süreçtir. Diğer teknolojiler, orijinal grafene benzer şekilde çok yüksek kalitede indirgenmiş grafen oksit üretebilir, ancak çok karmaşık olabilir ve tamamlanması uzun zaman alabilir.
Grafen oksit indirgeme yöntemi
Hidrazin hidrat ile muamele edin ve solüsyonu 100 ° C'de 24 saat tutun
Hidrojen plazmasına maruz kalma
Xenon, ultraviyole veya lazer gibi güçlü darbeli ışığa (fotosinterleme) maruz kalma
Distile suda farklı zamanlarda farklı sıcaklıklarda ısıtma
Ocakta çok yüksek bir sıcaklığa ısıtıldı
Doğrudan mikrodalgada ısıtın
Elektrokimyasal yöntem
Oluşturan gaz ortamında 40 ° C'ye (% 95 argon,% 5 hidrojen) ısıtın. Kimyasal azaltma oldukça ölçeklenebilir bir yöntemdir, ancak yüzey alanı ve elektriksel iletkenliği çoğu uygulama için genellikle yetersizdir.
Isıtma sıcaklığı 1000 ° C'yi aştığında, RGO'nun yüzey alanı çok büyük olacaktır, ancak tavlama işlemi basınç arttığında ve karbondioksit salındığında yapıyı tahrip edecektir. İndirgeme süreci kalitesini yaklaşık% 30 oranında düşürebilir ve elektronik özelliklerini iyileştirebilir.
Elektrokimyasal indirgemenin çok yüksek kalitede indirgenmiş grafen oksit ürettiği kanıtlanmıştır; bu, yapı olarak orijinal grafenle hemen hemen aynıdır, ancak diğer yöntemlerden daha yavaş olabilir.
RGO, çözücüler / matris ile uyumluluğunu artırmak veya diğer iki boyutlu malzemelerle birleştirildiğinde yeni bileşikler oluşturmak için seçici olarak işlevselleştirilebilir. Yüzey kimyası, uygulamaya uyacak şekilde ayarlanabilir.
Grafen oksit fiyatı
Grafen oksidin fiyatı, çıktı ve saflaştırma derecesi ile belirlenir. Çoğu ürünün fiyatı 75-225 USD / gram arasındadır, ancak bazı ürünler 450 USD / gram olarak fiyatlandırılmaktadır.
GO'nun raf ömrü yaklaşık 6 ay olduktan sonra işlev azalmaya başlar, ancak yine de daha uzun süre kullanılabilir. GO'nun işlevsel düşüşünü etkili bir şekilde yavaşlatabilecek buzdolabına koyabilirsiniz.
Grafen ve grafen oksit arasındaki fark
İlk önce grafen veya grafitin ne olduğunu belirlemeliyiz. Genellikle 10 katmandan daha az kalınlığa sahip 2D pulların grafen olarak adlandırılabileceğine inanılmaktadır.
Grafen veya grafen oksit nasıl seçilir?
Sensör veya cihaz yapmak veya mekanik performansı iyileştirmek için elektronik performansı kullanmak istiyorsanız, CVD grafen (RGO) kullanmanızı öneririz.
İyi bir dağılım ve çözelti işleme istiyorsanız, sıradan grafen oksit kullanmanızı öneririz.
Grafen oksit film oluşumu
Grafen oksit filmlerinin vakum veya basınçlı filtrasyonla yapılması nispeten kolaydır. Hepimizin bildiği gibi, yüzeyinde fonksiyonel gruplar olduğu için grafen oksidin dağılması kolaydır.
İlk önce onu su veya organik çözücü gibi bir çözücü içinde dağıtıyoruz ve ardından çözeltiyi, parçacıkları filtrelemek için bir filtre cihazından geçirmek için 0.2 mikronluk bir membran filtre kullanıyoruz, bu sırada çözücü, membran filtrenin üstünü oluşturmak için aşağıda toplanıyor. Kuruduktan sonra film, kağıt benzeri bir film ürünü bırakarak çıkarılabilir.
Makale kamu hesabından yeniden üretilmiştir: Grafen Radarı
