Tlenek grafenu

Tlenek grafenu (GO) – utleniona forma grafenu, w której do płaszczyzny węglowej dołączone są liczne tlenowe grupy funkcyjne. Strukturalnie ma postać monowarstwy węglowej o grubości około 1,1 ± 0,2 nm, w której grupy funkcyjne występują po obu stronach płaszczyzny oraz na jej krańcach.

Otrzymywanie

Podstawowym źródłem tlenku grafenu jest tlenek grafitu. Dzięki wprowadzeniu grup tlenowych do jego struktury możliwe jest jego rozwarstwienie do pojedynczych warstw tlenku grafenu z wykorzystaniem ultradźwięków. Sam tlenek grafitu można otrzymać na wiele sposobów, które opierają się na jego utlenieniu w obecności mocnych kwasów oraz soli typu KMnO
4 lub KClO
3.

Struktura

Spośród kilku modeli budowy za najbardziej wiarygodny uznaje się model Lerfa i Klinowskiego. Zakłada on występowanie w nim dwóch regionów. Pierwszy z nich zawiera nieutlenione pierścienie benzenowe, natomiast drugi zawiera alifatycznie sześcioczłonowe pierścienie węglowe, w których węgiel tworzy wiązania o hybrydyzacji sp³. Grupy epoksydowe oraz hydroksylowe są zlokalizowane w płaszczyźnie GO, z kolei grupy karbonylowe oraz karboksylowe występują w pobliżu krawędzi.

W zależności od wybranej metody syntezy prekursora tlenek grafenu będzie posiadał różny stosunek ilości atomów węgla do tlenu. Możliwe jest także wprowadzenie heteroatomów w celu poprawy jego właściwości do zastosowania w konkretnych celach.

Obecność grup tlenowych znacząco zaburza aromatyczną sieć węgli o hybrydyzacji sp². W miejscach przyłączenia się grup funkcyjnych sieć grafenowa jest zdefektowana, co objawia się m.in. zmianą hybrydyzacji atomów węgla. Powstałe zaburzenie wpływa na właściwości fizykochemiczne tlenku grafenu (traci przewodnictwo elektryczne obecne w grafenie).

Właściwości

Właściwości tlenku grafenu są zdeterminowane obecnością tlenowych grup funkcyjnych. Ich polarny charakter nadaje mu właściwości hydrofilowe, dzięki czemu GO – w przeciwieństwie do grafenu – dobrze miesza się z wodą. Tlenek grafenu bardzo słabo przewodzi prąd. Jest to spowodowane przede wszystkim znaczną ilością ugrupowań węglowych o hybrydyzacji sp³, jednakże kontrolowana redukcja prowadząca do usunięcia z powierzchni GO grup tlenowych i częściowego odtworzenia aromatycznego układu węglowego warunkuje zmiany elektrycznych właściwości GO. Pozwala otrzymać materiał o właściwościach przewodzących prąd elektryczny na poziomie przewodnictwa grafenu.

GO przejawia także ciekawe właściwości optyczne. Wykazuje fluorescencję w bardzo szerokim zakresie promieniowania bliski UV – bliska podczerwień. Właściwość tę tłumaczy się rekombinacją par elektron-dziura w GO. Właściwości fluorescencyjne tlenku grafenu mogą być z powodzeniem wykorzystane w projektowaniu biosensorów czy znaczników fluorescencyjnych.

Charakterystyka

Do badania struktury i właściwości tlenku grafenu – podobnie jak innych nanomateriałów – wykorzystuje się metody spektro- i mikroskopowe. Wśród technik spektroskopowych do najczęściej stosowanych można wymienić spektroskopię w podczerwieni, spektroskopię ramanowską oraz spektroskopię fotoelektronów. Dostarczają one informacje o strukturze sieci węglowej, grupach funkcyjnych oraz charakterze wiązań występujących w GO.

Z kolei techniki mikroskopowe umożliwiają wizualizację pojedynczych warstw tlenku grafenu. Stosuje się przede wszystkim skaningową mikroskopię elektronową, mikroskopię sił atomowych oraz rzadziej skaningową mikroskopię tunelowania.

Zastosowania

Tlenek grafenu cieszy się ogromną popularnością w chemii nanomateriałów. Znajduje zastosowanie w projektowaniu różnego rodzaju sensorów chemicznych (optycznych oraz elektrochemicznych), urządzeń magazynujących energię czy membran oczyszczających wodę oraz gazy. Wykorzystuje się go także jako materiał do celów katalitycznych oraz w elektronice.