Tlenek grafenu

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

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[1], w której grupy funkcyjne występują po obu stronach płaszczyzny oraz na jej krańcach.

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

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
[2].

Struktura[edytuj | edytuj kod]

Spośród kilku modeli budowy za najbardziej wiarygodny uznaje się model Lerfa i Klinowskiego[3]. 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[4]. Możliwe jest także wprowadzenie heteroatomów w celu poprawy jego właściwości do zastosowania w konkretnych celach[5].

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[edytuj | edytuj kod]

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[6]. 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[7].

GO przejawia także ciekawe właściwości optyczne. Wykazuje fluorescencję w bardzo szerokim zakresie promieniowania bliski UV – bliska podczerwień[8]. 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[edytuj | edytuj kod]

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[9].

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[edytuj | edytuj kod]

Tlenek grafenu cieszy się ogromną popularnością w chemii nanomateriałów. Znajduje zastosowanie w projektowaniu różnego rodzaju sensorów chemicznych (optycznych oraz elektrochemicznych)[10], urządzeń magazynujących energię czy membran oczyszczających wodę oraz gazy[11]. Wykorzystuje się go także jako materiał do celów katalitycznych[12] oraz w elektronice[13].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Hannes C. Schniepp i inni, Functionalized Single Graphene Sheets Derived from Splitting Graphite Oxide, „The Journal of Physical Chemistry B”, 110 (17), 2006, s. 8535–8539, DOI10.1021/jp060936f, ISSN 1520-6106 [dostęp 2019-11-04].
  2. Rajesh Kumar Singh, Rajesh Kumar, Dinesh Pratap Singh, Graphene oxide: strategies for synthesis, reduction and frontier applications, „RSC Advances”, 6 (69), 2016, s. 64993–65011, DOI10.1039/C6RA07626B, ISSN 2046-2069 [dostęp 2019-11-04] (ang.).
  3. Anton Lerf i inni, Structure of Graphite Oxide Revisited, „The Journal of Physical Chemistry B”, 102 (23), 1998, s. 4477–4482, DOI10.1021/jp9731821, ISSN 1520-6106 [dostęp 2019-11-04].
  4. Adriana Ibarra-Hernández, Alejandro Vega-Rios, Velia Osuna, Synthesis of Graphite Oxide with Different Surface Oxygen Contents Assisted Microwave Radiation, „Nanomaterials”, 8 (2), 2018, s. 106, DOI10.3390/nano8020106, PMID29438280, PMCIDPMC5853737 [dostęp 2019-11-04] (ang.).
  5. Chuangang Hu i inni, Functionalization of graphene materials by heteroatom-doping for energy conversion and storage, „Progress in Natural Science: Materials International”, 28 (2), 2018, s. 121–132, DOI10.1016/j.pnsc.2018.02.001, ISSN 1002-0071 [dostęp 2019-11-04].
  6. Vadim V. Neklyudov i inni, New insights into the solubility of graphene oxide in water and alcohols, „Physical Chemistry Chemical Physics”, 19 (26), 2017, s. 17000–17008, DOI10.1039/C7CP02303K, ISSN 1463-9076 [dostęp 2019-11-04] (ang.).
  7. Da Chen, Hongbin Feng, Jinghong Li, Graphene Oxide: Preparation, Functionalization, and Electrochemical Applications, „Chemical Reviews”, 112 (11), 2012, s. 6027–6053, DOI10.1021/cr300115g, ISSN 0009-2665 [dostęp 2019-11-04].
  8. Kian Ping Loh i inni, Graphene oxide as a chemically tunable platform for optical applications, „Nature Chemistry”, 2 (12), 2010, s. 1015–1024, DOI10.1038/nchem.907, ISSN 1755-4349 [dostęp 2019-11-04] (ang.).
  9. Anna Jabłońska i inni, Reduced Graphene Oxide for Biosensing and Electrocatalytic Applications, John Wiley & Sons, Ltd, 2019, s. 143–179, DOI10.1002/9781119468455.ch93, ISBN 978-1-119-46845-5 [dostęp 2019-11-05] (ang.).
  10. Anna Jablonska i inni, Graphene and Graphene Oxide Applications for SERS Sensing and Imaging, „Current Medicinal Chemistry”, 25, 2018, DOI10.2174/0929867325666181004152247 [dostęp 2019-11-05] (ang.).
  11. Andrew T. Smith i inni, Synthesis, properties, and applications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites, „Nano Materials Science”, 1 (1), 2019, s. 31–47, DOI10.1016/j.nanoms.2019.02.004, ISSN 2589-9651 [dostęp 2019-11-04].
  12. Debasish Sengupta, Sujit Ghosh and Basudeb Basu*, Advances and Prospects of Graphene Oxide (GO) as Heterogeneous ‘Carbocatalyst’, Current Organic Chemistry, 31 marca 2017, DOI10.2174/1385272820666161021102757 [dostęp 2019-11-04] (ang.).url
  13. Artur T. Dideikin, Alexander Y. Vul’, Graphene Oxide and Derivatives: The Place in Graphene Family, „Frontiers in Physics”, 6, 2019, DOI10.3389/fphy.2018.00149, ISSN 2296-424X [dostęp 2019-11-04] (ang.).