اکسید گرافیت (GtO): اکسـید گرافـیت در سال 1859 توسط بنجامین سی برودی (B.C. Brodie)کشف شد. تلاش برودی برای اکسـید کردن گرافیـت منجر به سنتز یک ماده جدید شد. اکسیداسیون مکرر گرافیت با استفاده از مخلوطی از اسید نیتریک و کلرات سدیم و به دنبال آن شستشو با آب اضافی، منجر به تولید پودری به رنگ زرد روشن متشکل از صفحات شفاف شد.
بسیاری از مطالعات بعدی بر روی بهبود روش اکسیداسیون برودی متمرکز شد، آنها به چندین چرخه اکسیداسیون نیاز داشتند و تا حد زیادی خطرناک در نظر گرفته شدند. در واقع، مطالعات بعدی نشان داد که استفاده از روشهای مختلف سنتز منجر به تولید اکسیدهای گرافیت میشود که دارای فرایند نزدیک به هم هستند، اما دارای مواد مشابه نیستند.
در سال 1898 ،Staudenmaier برای تهیه اکسید گرافیت از مخلوطی از اسید سولفوریک و اسید نیتریک غلیظ استفاده کرد. طی سالهای بعد بسیاری از روشها برای تهیه اکسید گرافیت آزمایش شدند اما تنها یک روش بسیار مورد توجه قرار گرفت. این روش جدید در سال 1958 توسط هامرز و هآفمن ارائه شد. با پردازش گرافیت با مخلوطی بدون آب از اسید سولفوریک غلیظ، نیترات سدیم و پرمنگنات پتاسیم به همراه کنترل دقیق دما در فرآیند واکنش با افزودن معرف های مختلف دیگر (مانند اسید فسفریک) منجر به تولید اکسید گرافیت شد.
روش های شناخته شده برای تهیه اکسید گرافیت (توسط برودی، استودن مایر، هافمن) شامل استفاده از اسیدهای قوی (نیتریک و یا گوگرد) و کلرات پتاسیم است. در طول ده های گذشته بسیاری از مطالعات منتشر شده در مورد اکسید گرافیت با استفاده از مواد تهیه شده با روش هامرز بود و فقط تعداد کمی با استفاده از روش برودی میباشد. همچنین مشخص شد که خواص اکسیدهای گرافیت به طور قابل توجهی به روش تهیه بستگی دارد.
خاصیت تورم اکسید گرافیت
افزایش حجم ماده که با جذب مایع یا بخار مرتبط است، تورم نامیده می شود. تورم یک خاصیت منحصر به فرد برای اکسید گرافیت میباشد زیرا آب به راحتی میتواند بین صفحات نفوذ کند و ساختار را گسترش دهد. انبساط ساختار اکسید گرافیت اجازه نفوذ یون های واکنش دهنده، مولکول ها و پلیمرها را به درون لایه ها می دهد و هر دو را در معرض واکنش های اصلاح شیمیایی قرار می دهد. تورم بستگی به درجه اکسیداسیون، دما و شرایط فشار دارد. ایجاد سطح بالا در حالت متورم، اکسیدهای گرافیت وگرافن را به جاذب‌های بسیار کارآمد با کاربردهای بالقوه در حذف آلودگی سمی و تصفیه آب تبدیل می‌کند.
با لایه برداری از اکسید گرافیت میتوان به اکسیـد گرافن دست یافت. یکی از شگفت انگیزترین دستاوردهای علم در دهه 1960، جداسازی اکسید گرافن از اکسید گرافیت و تبدیل حرارتی اکـسید گرافن به گرافن بود.
اکسید گرافن
اکسیـد گرافن یا گرافن اکساید ماده ای است با ساختار دو بعدی از آلوتروپ های کربن و ابعاد نانومتری که در بسیاری از کاربردها استفاده می شود. اکسیـد گرافن از اکسایش گرافیت و سپس لایه برداری از اکسید گرافیت به دست می آید. این ماده پیش ساز گرافن است. از جمله خصوصیات گرافن اکساید، خواص حرارتی، هدایت الکتریکی ، مقاومت مکانیکی و شفافیت میباشد و به همین دلیل کاربردهای فراوانی دارد، به دلیل قابلیت عملکرد سطح و فرآیند پذیری آبی عالی، به عنوان یک ماده برای کاربردهای بیولوژیکی قابل استفاده میباشد.
این ویژگی‌ها به دلیل ساختار شیمیایی آن و طیف گسترده‌ای از گروه‌های عاملی مانند گروه‌های اپوکسی، هیدروکسیل و کربوکسیل میباشد. ساختار شیمیایی اکسـید گرافن و سطح ویژه زیاد آن، تغییرات شیمیایی مختلف را ممکن می‌سازد و اکسید گرافن را به یک ماده مناسب برای بارگذاری نانوذرات مغناطیسی تبدیل می‌کند همچنین به‌عنوان پیش‌ساز برای تهیه بسیاری از مواد و کامپوزیت‌های جدید دیگر استفاده میشود، زیرا میتوان آن را به راحتی در آب پراکنده کرد، به روشهای مختلف کاهش داد و عامل‌دار کرد.
تورم خاصیتی است که اکسیدهای گرافیت و اکسیدهای گرافن را تعریف می کند تورم بی نهایت اکسید گرافیت باعث تولید اکسید گرافن در پراکندگی های آبی می شود. ورق های اکسید گرافن پراکنده در یک حلال قطبی را می توان مجدداً در ساختارهای چند لایه جمع کرد و بسته به کاربردها به عنوان فیلم، کاغذ یا غشاء نامگذاری کرد اکسید گرافن و گرافیت به عنوان پیش ساز گرافن بسیار محبوبند اما گرافن اکساید خود در سالهای اخیر به عنوان یک ماده پیشرفته برای بسیاری از کاربردها ظاهر شد. از اکسید گرافیت و اکسید گرافن برای تولید گرافن ارزان استفاده می شود.
تفاوت اکسید گرافیت و اکسید گرافن
اکسید گرافیت محصول نهایی اکسیداسیون گرافیت میباشد که چند لایه است و به رنگ قهوه ای ظاهر می شود. با لایه برداری از اکسید گرافیت لایه های منفرد بسیار تثبیت شده به نام اکسید گرافن به وجود می آید.
گرافن اکساید کاهش یافته
تفاوت اصلی GO و rGO در میزان C/O است. تفاوت دیگر در هدایت الکتریکی این دو ماده است. در حالی که GO رفتار عایق یا نیمه رسانا را نشان می دهد، رسانایی rGO بسیار بالاتر است. یکی دیگر از خصوصیات رفتار آبدوست ناشی از افزایش بار سطحی است. از این رو، ساختارهای GO رفتار آبدوست نشان می دهند در حالی که rGO رفتار آبگریز را به دلیل از دست دادن ترکیبات حاوی اکسیژن نشان می دهد. تفاوت بین رفتار آبدوست / آبگریز نیز باعث ایجاد تفاوت در پراکندگی GO و rGO می شود. اکسید گرافن پراکندگی بالایی در محیط های آبی نشان می دهد در حالی که rGO پراکندگی کمتری نشان می دهد. اکسید گرافن احیا شده دارای خواص مکانیکی، اپتوالکترونیکی یا رسانایی مشابه با گرافن است، زیرا دارای ساختار ناهمگنی متشکل از یک صفحه پایه گرافن مانند است که علاوه بر آن حاوی گروه‌های شیمیایی اکسید شده است.
روشهای تبدیل اکسید گرافیت به گرافن
روش فیزیکی (حرارتی)، شیمیایی و روش ترکیبی که در آن عوامل فیزیکی و شیمیایی به طور همزمان نقش دارند.
روش حراراتی
گرم کردن اکسید گرافیت با تابش مایکروویو، مادون قرمز، مرئی یا فرابنفش در خلا اتفاق می افتد. محدوده معمولی دما برای کاهش حرارتی بین 400-1200 درجه سانتیگراد است. مزیت آشکار کاهش حرارتی حذف همزمان گروه‌های حاوی اکسیژن و بازیابی ساختاراکسید گرافیت با آنیل حرارتی است.
روش شیمیایی
احیای شیمیایی از واکنش دهنده های مختلفی استفاده می کند. معرف قابل استفاده برای کاهش GO هیدرات هیدرازین است. از جمله واکنش دهنده هایی که به طور موثر گرافن را به گرافن بازیابی می کنند، پودر آهن، بوروهیدرید سدیم، هیدروکینون، هگزامتیلن تترامین، اسید هیدرویدیک، سدیم و محلول های قلیایی پتاسیم هستند. این فرایند می تواند در محیط مایع یا اتمسفر بخار در دمای متوسط یا حتی دردمای محیط انجام شود. روشهای کاهش نور به کمک کاتالیزور نیز می‌توانند به عنوان روشهای شیمیایی در نظر گرفته شوند.
روش ترکیبی
سطح کاهش به دست آمده توسط روش های شیمیایی را می توان با استفاده از روش حل گرمایی – ترکیبی از عملیات شیمیایی و حرارتی در شرایط فوق بحرانی افزایش داد. رویکرد ترکیبی مشابه امکان به دست آوردن دوپینگ نیتروژن کاهش با رسانایی الکتریکی بالاتر را می دهد.
کاربردهای گرافن اکساید
به دلیل ویژگی های مکانیکی، الکتریکی و شیمیایی گرافن اکساید در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده است.
پوشش های رسانا
پوشش های محافظ و رسانای شفاف یکی از اولین کاربردها و به طور گسترده مورد بحث برای اکسید گرافیت است. فیلمهای با ضخامت چند لایه اتمی به راحتی می توانند بر روی هر سطح آبدوست قرار گیرند. در مورد استفاده از بستر رسانای الکتریکی، صافی و چگالی فیلم را می توان با استفاده از الکتروفورز افزایش داد اگر سطح بستر آبگریز باشد می توان از پراکندگی در حلال آلی مناسب استفاده کرد.
الکترونیک
مزیت اصلی فیلم های GO نسبت به فیلم های گرافن پایداری بیشتر آنها برای تغییر شکل بستر است که برای کاربرد در الکترونیک مهم است. استفاده از فیلم های GO به عنوان لایه هایی برای الکترودهای شفاف که در ساختار LED استفاده میشوند امکان افزایش توان خروجی LEDها را فراهم می‌کند تا از گرمای بیش از حد موضعی و آسیب دستگاه‌ها جلوگیری شود.
یکی دیگر از ویژگی ها با فرایند چاپ جوهرافشان است که در الکترونیک نه تنها برای اتصالات مدار انعطاف‌پذیر و شفاف بلکه عناصر فعال مانند ترانزیستورهای اثر میدان و دستگا های ساطع نور آلی استفاده می شود.
فوتوکاتالیست
فوتوکاتالیز یکی از فن آوری های به شدت در حال توسعه و مورد نیاز به ویژه برای حفاظت از محیط زیست است و فوتوکاتالیست‌ها از نانوذرات نیمه‌رسانای باند پهن مانند TiO2 یا ZnO برای جذب نور خورشیدی استفاده می‌کنند و از رابط با الکترولیت آبی برای جداسازی بار جفت‌های الکترون-حفره برانگیخته استفاده می‌کنند. ادغام نانو کریستال های نیمه هادی در ساختار نانوکامپوزیت ها با GO و rGO اصلاح شده شیمیایی امکان گسترش دامنه واکنش های موجود را فراهم می کند
امکان ساخت الکترودهای گرافن شفاف در ناحیه نامحدود را برای نمایشگرها، سلول های خورشیدی و منابع نور شب تاب می دهد.
فوتوکاتالیست های نانوکامپوزیتی که اخیراً توسعه یافته اند حاوی نانو نقطه ها و نانوذرات فلزات واسطه هستند.
سلولهای خورشیدی
الکترودهای شفاف می توانند جزء ضروری سلول های خورشیدی انعطاف پذیر کم هزینه بر اساس مواد آلی باشند.
اخیرا گرافن اکساید اصلاح‌شده به‌عنوان اجزایی برای لایه‌های انتقال الکترون در سلولهای خورشیدی مبتنی بر پروسکایت آلی استفاده میشوند.
GO یا rGO نیز مواد مفیدی برای الکترود ضد در سلولهای خورشیدی فوق‌العاده کم‌هزینه حساس به رنگ بر اساس الکترولیت مایع هستند.
باتری های لیتیومی
یکی دیگر از تمرکزهای تحقیقاتی به طور مشخص به الکترودهای سیستم های ذخیره انرژی – ابرخازن ها و باتری های لیتیومی مرتبط است. امروزه باتری های لیتیومی دارای حداکثر ظرفیت انرژی هستند. توجه محققان به بهبود مواد آند برای افزایش عمر چرخه و عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های قابل شارژ لیتیوم یون معمولی جلب شده است.
متأسفانه، گوگرد بومی که به عنوان ماده کاتدی در باتری‌های Li-S استفاده میشود، موانعی را بر سر راه استفاده صنعتی ایجاد می‌کند. مانع اصلی رسانایی الکتریکی ذاتی کم گوگرد عنصری است که به عنوان کاتد استفاده می شود. استفاده از آلوتروپ های گوگرد مانند زنجیره های S2-S4 تعدادی از موانع فنی از جمله محو شدن ظرفیت و تخلیه خود را ایجاد می کند. علاوه بر این، انحلال مکرر و رسوب مجدد گوگرد منجر به تخریب سریع کاتد می شود. بنابراین، گام بعدی باتری‌های گوگردی صنعتی به مواد میزبان مناسب برای کاتد گوگرد نیاز دارد. با توجه به نتایج تحقیقات اخیر، احتمالاً نانوکامپوزیت rGO گزینه مناسبی خواهد بود.
ابرخازنها
اگرچه ابرخازنها از نظر ظرفیت انرژی بعد از باتری‌های لیتیومی قرار دارند، اما می‌توانند حداکثر توان بسیار بیشتری را ارائه کنند. برای انواع کاربردها در صنعت، حمل و نقل و ارتباطات مهم است. ابرخازنها انرژی را در لایه دوگانه الکتریکی (EDLC) ذخیره می‌کنند که توسط یون‌های الکترولیت مایع، جامد یا یونی انباشته شده روی سطح مواد الکترود تشکیل شده است. بنابراین، ماده الکترود باید از نظر شیمیایی خنثی، دارای بیشترین ناحیه خاص ممکن و ساختار متخلخل باز باشد. همچنین باید کمترین مقاومت و دوام مکانیکی را داشته باشد تا حداکثر تعداد چرخه های شارژ-تخلیه در بالاترین مقدار جریان را فراهم کند.
غشاها
امروزه فناوری های غشایی فیلتر کردن فاضلاب و گازها برای جداسازی فلزات سنگین و CO2 نقش مهمی را در حفاظت از محیط زیست ایفا می کنند.
برای الک یونی و مولکولی راه را برای جداسازی ضایعات رادیوشیمیایی باز می کند. در میان مواد مبتنی بر گرافن، GO بهترین فعالیت ضد میکروبی را نشان می‌دهد.
پزشکی و زیست شناسی
توانایی‌های اصلاح شیمیایی در ترکیب با سمیت سلولی پایین فرصت‌های گسترده‌ای را برای کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی فراهم می‌کند.گرافن اکساید به عنوان حامل برای درمان سرطان و همچنین برای تصویربرداری از سلولهای سرطانی و نور درمانی استفاده می شود.
حسگرهای شیمیایی و زیستی
توانایی خوب برای عامل‌سازی شیمیایی ویژگی کلیدی برای ساخت حسگرهای شیمیایی و بیولوژیکی برای طیف وسیعی از کاربردها است.
جاذب های مایکروویو
یکی دیگر از شاخه های قابل توجه کاربردهای معاصر GO و rGO، جاذب های مایکروویو برای حفاظت از محیط زیست میباشد.
گرافن
در دهه 1940، فیلیپ راسل والاس مفهوم نظری ایجاد ساختار کربن تک اتمی را توسعه داد. با این حال، این ایده برای بسیاری از دانشمندان رد شده بود. شش دهه بعد این ایده توانست به یک ماده واقعی تبدیل شود. گرافن ماده ی تک لایه ای است که برای اولین بار در سال 2003 توسط تیمی به رهبری آندره گیم و کونستیا نووسلوف در دانشگاه منچستر جدا شد.
خصوصیات گرافن
گرافن یک نانوساختار تک لایه و دو بعدی از اتم های کربن میباشد که در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته است. یک قطعه گرافیت به ضخامت یک میلی متر از 3 میلیون لایه گرافن که روی هم قرار گرفته اند، تشکیل میشود. صفحه های گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل میشوند. گرافن ماده ای بسیار نازک است، اما ماده ای قوی و با استحکام است.گرافن سمی نیست و هیچ تمایلی به مواد خطرناک ندارد. در تماس با پوست، خاصیت تحریکی از خود نشان نمی دهد. همچنین، مطالعات بین المللی نشان می دهد که استنشاق واکنش های ایمونولوژیکی نامطلوب ایجاد نمی کند.
گرافن 200 برابر از فولاد قوی تر است. انعطاف پذیر، شفاف است و الکتریسیته و گرما را به خوبی هدایت می کند و این خصوصیات به این ماده کوچک پتانسیل عظیمی می دهد. در یک صفحه گرافن هر اتم کربن با سه کربن دیگر پیوند دارد و دارای یک پیوند آزاد میباشد. این پیوند آزاد مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه های عاملی و هیدروژن میباشد.
در حال حاضر، گرافن جانشین سیلیکون در حوزه الکترونیکی محسوب می شود. از این هادی شفاف و انعطاف پذیر می توان برای ساخت سلول های فتوولتائیک، نمایشگرهای رول شونده و پنل های لمسی و همچنین چراغ های LED استفاده کرد. همچنین فرکانس سیگنال های الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد و امکان تولید ترانزیستورهای سریعتر را فراهم می کند.
کاربردهای گرافن
الکترونیک :
گرافن علاوه بر خواص الکتریکی قدرتمند خود، انعطاف پذیری و شفافیت بالایی نیز دارد. این امر آن را برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل جذاب می کند. گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها می‌توانند با استفاده از گرافن بسیار بادوام‌تر شوند و حتی می‌توانند مانند کاغذ تا شوند.
سلولهای خورشیدی :
گرافن هم رسانا و هم شفاف است. به این ترتیب، پتانسیل زیادی به عنوان یک ماده در سلول های خورشیدی دارد. به طور معمول، سلول های خورشیدی از سیلیکون استفاده می کنند که با برخورد فوتون به مواد، بار تولید می کند و الکترون آزاد را از بین می برد. سیلیکون به ازای هر فوتونی که به آن برخورد می کند تنها یک الکترون آزاد می کند. تحقیقات نشان می دهد که گرافن می تواند برای هر فوتونی که به آن برخورد می کند، چندین الکترون آزاد کند. به این ترتیب، گرافن می تواند در تبدیل انرژی خورشیدی بسیار بهتر عمل کند.
تصفیه آب :
پیوندهای اتمی محکم گرافن آن را برای تقریباً همه گازها و مایعات غیرقابل نفوذ می کند. عجیب است که مولکول های آب یک استثنا هستند. از آنجایی که آب می تواند از طریق گرافن تبخیر شود در حالی که بیشتر گازها و مایعات دیگر نمی توانند، گرافن می تواند ابزاری استثنایی برای فیلتراسیون باشد. محققان دانشگاه منچستر نفوذپذیری گرافن را با الکل آزمایش کردند و توانستند نمونه های بسیار قوی را تقطیر کنند، زیرا فقط آب موجود در نمونه ها قادر به عبور از گرافن بود.
گرافن همچنین می تواند در تصفیه آب از سموم، بسیار مفید باشد. در مطالعه‌ای محققان نشان دادند که اکسید گرافن حتی میتواند مواد رادیواکتیو مانند اورانیوم و پلوتونیوم موجود در آب را جذب کند و مایع را عاری از آلاینده‌ها نگه دارد. برخی از بزرگترین خطرات زیست محیطی تاریخ، از جمله زباله های هسته ای و روان آب های شیمیایی، می توانند به لطف گرافن جزء منابع آب پاک شوند. فیلترهای گرافنی پتانسیل بسیار زیادی برای بهبود تصفیه آب دارند و میزان آب شیرین موجود را افزایش می دهند.
دیگرکاربردهای گرافن:
- شبکه های برق مدرن
- منابع نور کم مصرف
- نیمه هادی های مورد استفاده در دستگاه های اسپینترونیک
- پوشش های ضد خوردگی موثرتر
تفاوت گرافن و اکسید گرافن
گرافن را می توان به عنوان یک آلوتروپ کربن توصیف کرد که به شکل ورقه های دو بعدی وجود دارد. اکسید گـرافن یک صفحه تک مولکولی از اکسید گرافیت است. تفاوت اصلی گرافن و اکسیـد گرافن در این است که، گرافن ماده ای متشکل از اتم های کربن است و در الگوی شش ضلعی تکرار شونده به یکدیگر پیوند دارند در حالی که اکسـید گرافن یک شکل اکسید شده از گرافن است که با گروه هایی با اتم های اکسیژن پوشیده میشود.