مقدمه ای بر اکسید گرافن (GO)
اكسيد گرافن، همان ساختار لايه‌اي گرافيتي است كه فاصله بين اين لایه‌ها به‌مراتب بيشتر و رنگ آن به دليل اكسايش روشن‌تر شده است. اكسيد گرافن در واقع، صفحه پايه گرافيت با عوامل آميخته از گروه‌هاي اپوكسي و هيدروكسيل و نيز، گروه‌هاي كربونيل و كربوكسيل در لبه‌ها است كه وجود اين گروه‌ها منجر به آبدوستي ساختار اكسيد گرافن مي‌شود. اكسيد گرافن نارساناي الكتريسيته است و حضور گروه‌هاي اكسيژن‌دار، آن را از نظر حرارتي ناپايدار مي‌كند. البته، خاصيت رسانايي الكتريسيته اكسيد گرافن با احيا شيميايي می‌تواند تا حد رسانايي گرافيت اوليه در ساختار گرافن بازيابي شود (Stankovich et al., 2007).
سنتز اكسيد گرافن با روش های مختلفی از جمله روش هامرز، روش اصلاح شده هامرز[1] و روش بهبود يافته هامرز [2] انجام مي‌شود. در اين روش ها، ابتدا صفحات گرافيتي را منبسط مي‌كنند و در حضور اسيدهاي غليظ و عوامل اكسيد‌كننده قوي، آن را به اكسيد گرافيت تبديل مي‌كنند. اين فرآيند با افزايش فاصله بين لايه‌اي همراه است كه البته، مقدار اين فاصله به ميزان اكسايش و آب‌پوشاني بستگي دارد. فاصله زياد بين لايه‌ها موجب مي‌شود كه مولكول‌هاي آب بتوانند در اين فضا نفوذ كنند و منجر به توزيع مناسب صفحات اكسيد گرافني در محيط آبي شوند. البته، روش‌هاي شيميايي ممكن است منجر به توليد صفحات كوچكي از اكسيد گرافن شوند كه متاثر از نحوه توليد اين صفحات است. در بيشتر موارد از اولتراسوند براي باز كردن فاصله بين صفحات و توليد اكسيد گرافن تك لايه كاملا توزيع شده استفاده مي‌شود كه موجب خرد شدن صفحات خواهد شد. صفحات حاصل آن‌قدر كوچك هستند (از صدها نانومتر تا چند ميكرون) كه براي استفاده در ابزارهاي الكتريكي مناسب نيستند. مي‌توان براي بهبود اين مشكل از روش‌هاي ديگر مانند هم‌زن مغناطيسي به منظور جدا نمودن صفحات از يكديگر استفاده نمود (Aboutalebi et al., 2011).
1-2-1- سنتز اکسید گرافن
اکسید گرافن (GO) را می توان به عنوان تک لایه ای از اکسید گرافیت در نظر گرفت. ساخت اکسید گرافیت به بیش از یک و نیم قرن پیش بر می گردد (Dreyer و همکاران، 2010؛ Chua و Pumera، 2014). در سال 59، پژوهشگری به نام برودی در حین بررسی ساختار گرافیت، گزارشی مبنی بر سنتز اکسید گرافن ارائه کرد (Brodie، 59). هنگام واکنش گرافیت با مخلوطی از NHO3, KC1O3 در دمای 60 به مدت سه تا چهار روز، وی دریافت که محصول با یک افزایش جرم کل مواجه می شد. بررسی بیشتر نشان داد که محصول از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده بود و فرمول مولکولی آن به صورت C2/19H0/80O1/00 اندازه گیری شد. با حرارت دادن محصول تا دمای
220، ترکیب شیمیایی این ماده به C5/51H0/48O1/00 تغییر کرد که این امر همراه با از دست دادن کربونیک و اکسید کربونیک بود. از آنجایی که این ماده در آب خالص یا بازی قابل پخش بود اما در محیط اسیدی چنین رفتاری نداشت، برودی این ماده را اسید گرافیک» نام نهاد.
بعدها در سال 98، اشتادنمایر (98) با افزودن کلرات (مثلاً NaClO3 , KClo3) در چند مرحله در حین واکنش، و نیز افزودن H2SO4 غلیظ به منظور افزایش اسیدیتة مخلوط، روش برودی را بهبود داد. پس گرافیت در معرض واکنش با کلرات، HNO3, H2SO4 قرار داده شد. این تغییر کوچک در روال کار، منجر به افزایش میزان اکسیداسیون مشابه با روش اکسیداسیون چندگانة برودی شد (C:O ͠ 2:1) ، اما واکنش به صورت عملی تر در یک مخزن واکنش منفرد انجام گرفت.
در سال 1958، هامرز و آفمن (1958) روش اکسیداسیون جایگزینی ارائه دادند که در آن، گرافیت در معرض واکنش با مخلوط H2SO4 و KMnO4 غلیظ قرار می گرفت؛ در این روش نیز سطح مشابهی از اکسیداسیون بدست می آمد. اکسید گرافیت از طریق مخلوط کردن پودر گرافیت بسیار خالص و NaNO3 در H2SO4 تهیه می شد. سپس KMnO4 برای کاتالیز کردن واکنش افزوده شده و در نهایت یک ژل خاکستری مایل به قهوه ای به دست می آمد. بعد از رقیق سازی با آب و اضافه کردن هیدروژن پراکسید، یک پسماند اکسید گرافیت به رنگ قهوه ای مایل به زرد به دست می آمد؛ از این ماده می توان با کمک اعمال امواج صوتی، سوسپانسیون اکسید گرافیت تهیه کرد. اگر چه پرمنگنات یک اکسید کنندة رایج است، اما گونه فعال واقعی Mn2O7 می باشد (Dreyer و همکاران، 2010) که قادر است به صورت انتخابی پیوندهای دو گانه آلیفاتیک غیر اشباع را نسبت به پیوندهای دو گانه آروماتیک، اکسید نماید.
در بیان کلی، روش های برودی، اشتادنمایر و هامرز، سه روش اصلی برای تولید اکسید گرافیت از گرافیت می باشند، اما دو روش برودی و اشتادنمایر گاز ClO2 تولید می کنند که به دلیل سمیّت بالای آن و تمایل به تجزیه شدن در هوا و ایجاد انفجار، باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرند. خوشبختانه، این نقص با روش هامرز از بین می رود، چرا که زمان واکنش نسبتاً کوتاه تری دارد و خبری از ClO3 در آن نیست. امروزه، روش هامرز به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است ولی هنوز دارای یک نقص می باشد و آن، آلودگی بالقوه با یون های پر منگنات اضافی است. این آلودگی را می توان با انجام عملیات با H2O2 و سپس شستشو و دیالیز از بین برد (Johnson و همکاران، 2009). از سوی دیگر، اثبات شده است که محصولات واکنش های سنتز اکسید گرافیت تغییرات زیادی نشان می دهند؛ این تغییرات نه تنها به اکسید کنندة مورد استفاده بلکه به منبع گرافیت و شرایط واکنش نیز بستگی دارد.
پس از ساخت اکسید گرافیت، اکسید گرافن (GO) را می توان با لایه برداری از آن و تبدیل به ورقه های تک لایه از طریق روش های مختلف حرارتی و مکانیکی به دست آورد (Dreyer و همکاران، 2010). بر اساس گزارش مک آلیستر و همکارانش (2007)، مکانیزم لایه برداری حرارتی اکسید گرافیت را می توان در شکل 1-4 توصیف کرد. در حین حرارت دهی، گروه های عاملیِ اکسیژن دار که به سطح کربن متصل شده اند به گازهایی همچون H2O، CO, CO2 تجزیه می شوند که این گازها در طول جهات جانبی نفوذ خواهند کرد؛ لایه برداری فقط در صورتی رخ خواهد داد که سرعت تجزیه گروه های عاملی از سرعت نفوذ گازهای متصاعد شده پیشی گیرد. در این حالت، فشار میان لایه ایِ موجود در بین لایه های مجاور به اندازه کافی بزرگ است تا بر برهمکنش های واندروالس آنها غلبه نماید و لایه ها را از هم جدا نماید. به طور کلی پیشنهاد شد که حداقل دمای 550 برای لایه برداری موفق در فشار اتمسفر ضروری است (مک آلیستر و همکارانش، 2007). به علاوه، روش لایه برداری حرارتی به صورت گسترده برای به دست آوردن گرافن مورد استفاده قرار گرفته است (شکل 1-1) که در این حالت اکسید گرافیت تحت لایه برداری حرارتی به گرافن تبدیل شده است (Lv و همکاران، 2009).
روش مرسوم دیگر برای تبدیل اکسید گرافیت به GO، لایه برداری مکانیکی اکسید گرافیت است. به عنوان مثال از طریق اعمال امواج صوتی به اکسید گرافیت در آب یا یک محیط آلی قطبی، می توان اکسید گرافیت را به طور کامل به شکل GO لایه برداری کرد (Stankovich و همکاران، 2007؛ Paredes و همکاران، 2008) به علاوه، از طریق هم زدن مکانیکی اکسید گرافیت در آب، می توان اکسید گرافیت را به خوبی لایه برداری نمود (Becerril و همکاران، 2008؛ Zhu و همکاران، 2010). خصوصاً اعمال امواج صوتی و هم زدن مکانیکی را می توان به صورت توأمان برای لایه برداری اکسید گرافیت مورد استفاده قرار داد تا بازدهی بهتری نسبت به هر یک از این روش ها به صورت مجزا حاصل شود. به طور کلی، استفاده از امواج صوتی در آب یا یک محیط آلی قطبی در مقایسه با هم زدن مکانیکی بسیار سریع تر است، اما دارای این نقص بزرگ است که سبب آسیب اساسی به ورقه های GO می شود (Becerril و همکاران، 2008).
امکان سنتز اکسید گرافن با خلوص بالا همراه با برگه آنالیز درصورت درخواست و ارسال به سراسر ایران وجود دارد. کسب اطلاعات بیشتر تماس با 09010262731
[1] - Modified Hummers
[2] - Improved Hummers
اکسید ,گرافیت ,روش ,گرافن ,لایه ,های ,اکسید گرافیت ,لایه برداری ,و همکاران، ,می توان ,اكسيد گرافن ,لایه برداری حرارتی ,توان اکسید گرافیت ,مکانیکی اکسید گرافیت ,سنتز اکسید گرافن
درباره این سایت