Graphitoxid - Graphite oxide
Graphitoxid , früher genannt Graphitoxyd oder graphitischen Säure , ist eine Verbindung aus Kohlenstoff , Sauerstoff und Wasserstoff in variablen Verhältnissen, erhalten durch Behandlung von Graphit mit starken Oxidationsmitteln und Säuren für die Lösung der zusätzlichen Metalle . Das maximal oxidierte Schüttprodukt ist ein gelber Feststoff mit einem C:O-Verhältnis zwischen 2,1 und 2,9, der die Schichtstruktur von Graphit beibehält, jedoch mit einem viel größeren und unregelmäßigen Abstand.
Das Schüttgut dispergiert spontan in basischen Lösungen oder kann durch Beschallung in polaren Lösungsmitteln zu monomolekularen Schichten dispergiert werden, die in Analogie zu Graphen , der einschichtigen Form von Graphit , als Graphenoxid bekannt sind . Graphenoxidfolien wurden verwendet, um starke papierähnliche Materialien, Membranen, dünne Filme und Verbundmaterialien herzustellen. Graphenoxid erregte zunächst großes Interesse als mögliches Zwischenprodukt für die Herstellung von Graphen. Das durch Reduktion von Graphenoxid erhaltene Graphen weist noch viele chemische und strukturelle Defekte auf, was für einige Anwendungen ein Problem, für andere jedoch ein Vorteil ist.
Geschichte und Vorbereitung
Graphitoxid wurde erstmals 1859 vom Oxforder Chemiker Benjamin C. Brodie hergestellt , indem Graphit mit einer Mischung aus Kaliumchlorat und rauchender Salpetersäure behandelt wurde . Er berichtete über die Synthese von "papierähnlichen Folien" mit 0,05 mm Dicke. 1957 entwickelten Hummers und Offeman ein sichereres, schnelleres und effizienteres Verfahren namens Hummers-Methode , bei dem eine Mischung aus Schwefelsäure H 2 SO 4 , Natriumnitrat NaNO 3 und Kaliumpermanganat KMnO 4 verwendet wird , die immer noch weit verbreitet ist, oft mit einige Modifikationen. Größte Monolayer-GO mit hochgradig intaktem Kohlenstoffgerüst und minimalen Restkonzentrationen an Verunreinigungen können in inerten Behältern mit hochreinen Reaktanten und Lösungsmitteln synthetisiert werden.
Graphitoxide weisen je nach Oxidationsgrad und Syntheseverfahren erhebliche Eigenschaftsunterschiede auf. Zum Beispiel ist der Temperaturpunkt der explosiven Exfoliation bei Graphitoxid, das nach der Brodie-Methode hergestellt wurde, im Allgemeinen höher als bei Hummers-Graphitoxid, der Unterschied beträgt bei gleichen Heizraten bis zu 100 Grad. Die Hydratations- und Solvatationseigenschaften von Brodie- und Hummers-Graphitoxiden sind ebenfalls bemerkenswert unterschiedlich.
Kürzlich wurde eine Mischung aus H 2 SO 4 und KMnO 4 verwendet, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen der Länge nach aufzuschneiden , was zu mikroskopisch kleinen flachen Graphenbändern führte , einige Atome breit, deren Kanten durch Sauerstoffatome (=O) oder Hydroxylgruppen "abgedeckt" sind (-OH).
Graphit (Graphen) Oxid (GO) wurde auch unter Verwendung einer "Bottom-up"-Synthesemethode (Tang-Lau-Methode) hergestellt, bei der die einzige Quelle Glukose ist, der Prozess ist sicherer, einfacher und umweltfreundlicher im Vergleich zu traditionell "top-down"-Methode, bei der starke Oxidationsmittel beteiligt sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Tang-Lau-Verfahrens ist die Kontrolle der Dicke, die von Monolayern bis Multilayern reicht, indem die Wachstumsparameter angepasst werden.
Struktur
Struktur und Eigenschaften von Graphitoxid hängen von der jeweiligen Synthesemethode und dem Oxidationsgrad ab. Es bewahrt typischerweise die Schichtstruktur des Stammgraphits, aber die Schichten sind geknickt und der Abstand zwischen den Schichten ist etwa zweimal größer (~0,7 nm) als der von Graphit. Streng genommen ist "Oxid" ein falscher, aber historisch etablierter Name. Außer Sauerstoff- Epoxid- Gruppen (überbrückende Sauerstoffatome) sind weitere experimentell gefundene funktionelle Gruppen: Carbonyl (C=O), Hydroxy (-OH), Phenol , bei Graphitoxiden, die mit Schwefelsäure hergestellt wurden (zB Hummers-Methode) ist auch eine gewisse Verunreinigung von Schwefel vorhanden häufig gefunden, zum Beispiel in Form von Organosulfatgruppen. Die detaillierte Struktur ist aufgrund der starken Unordnung und unregelmäßigen Packung der Schichten noch nicht verstanden.
Graphenoxidschichten sind etwa 1,1 ± 0,2 nm dick. Rastertunnelmikroskopie zeigt das Vorhandensein lokaler Bereiche, in denen Sauerstoffatome in einem rechteckigen Muster mit einer Gitterkonstante von 0,27 nm × 0,41 nm angeordnet sind. Die Kanten jeder Schicht sind mit Carboxyl- und Carbonylgruppen abgeschlossen . Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigt das Vorhandensein mehrerer C 1 s -Peaks, deren Anzahl und relative Intensität von der speziellen verwendeten Oxidationsmethode abhängt. Die Zuordnung dieser Peaks zu bestimmten Kohlenstofffunktionalisierungstypen ist etwas unsicher und wird noch diskutiert. Eine der Interpretationen lautet beispielsweise wie folgt: nicht-oxygenierte Ringkontexte (284,8 eV), CO (286,2 eV), C=O (287,8 eV) und OC=O (289,0 eV). Eine andere Interpretation unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie-Berechnung lautet wie folgt: C=C mit Defekten wie funktionellen Gruppen und Fünfecken (283,6 eV), C=C (nicht oxygenierte Ringkontexte) (284,3 eV), sp 3 CH in der Grundebene und C=C mit funktionellen Gruppen (285.0 eV), C=O und C=C mit funktionellen Gruppen, CO (286.5 eV) und OC=O (288.3 eV).
Graphitoxid ist hydrophil und leicht hydratisiert, wenn es Wasserdampf ausgesetzt oder in flüssiges Wasser eingetaucht wird, was zu einer deutlichen Zunahme des Interplanarabstands (bis zu 1,2 nm im gesättigten Zustand) führt. Aufgrund von Hochdruck-induzierten Effekten wird auch zusätzliches Wasser in den Zwischenschichtraum eingebracht. Der maximale Hydratationszustand von Graphitoxid in flüssigem Wasser entspricht dem Einbringen von 2-3 Wassermonoschichten, das Abkühlen der Graphitoxid/H2O-Proben führt zu einer "pseudo-negativen Wärmeausdehnung" und unter dem Gefrierpunkt von Wassermedien führt zu einer Deeinfügung von einem Wasser Monolayer- und Gitterkontraktion. Die vollständige Entfernung des Wassers aus der Struktur erscheint schwierig, da das Erhitzen auf 60–80 °C zu einer teilweisen Zersetzung und Degradation des Materials führt.
Ähnlich wie Wasser nimmt Graphitoxid auch andere polare Lösungsmittel, zB Alkohole, leicht ein. Die Interkalation polarer Lösungsmittel erfolgt jedoch in Brodie- und Hummers-Graphitoxiden deutlich unterschiedlich. Brodie-Graphitoxid wird bei Umgebungsbedingungen durch eine Monoschicht aus Alkoholen und mehreren anderen Lösungsmitteln (zB Dimethylformamid und Aceton) interkaliert, wenn flüssiges Lösungsmittel im Überschuss verfügbar ist. Die Trennung von Graphitoxidschichten ist proportional zur Größe des Alkoholmoleküls. Das Abkühlen von Brodie-Graphitoxid, das in einen Überschuss von flüssigem Methanol , Ethanol , Aceton und Dimethylformamid eingetaucht wird , führt zu einer schrittweisen Einfügung einer zusätzlichen Lösungsmittelmonoschicht und einer Gitterexpansion. Der durch Röntgenbeugung und DSC nachgewiesene Phasenübergang ist reversibel; die Deinsertion der Lösungsmittelmonoschicht wird beobachtet, wenn die Probe von niedrigen Temperaturen zurück erhitzt wird. Zusätzliche Methanol- und Ethanol-Monoschichten werden auch unter Hochdruckbedingungen reversibel in die Struktur von Brodie-Graphitoxid eingefügt.
Hummers Graphitoxid wird bereits bei Raumtemperatur mit zwei Methanol- oder Ethanol-Monoschichten interkaliert. Der Schichtabstand von Hummers-Graphitoxid im Überschuss von flüssigen Alkoholen nimmt mit abnehmender Temperatur allmählich zu und erreicht 19.4 bzw. 20.6 Å bei 140 K für Methanol bzw. Ethanol. Die allmähliche Expansion des Hummers-Graphitoxidgitters beim Abkühlen entspricht dem Einfügen von mindestens zwei zusätzlichen Lösungsmittelmonoschichten.
Graphitoxid blättert ab und zersetzt sich beim schnellen Erhitzen bei mäßig hohen Temperaturen (~280–300 °C) unter Bildung von fein verteiltem amorphem Kohlenstoff , ähnlich wie Aktivkohle .
Charakterisierung
XRD, FTIR, Raman, XPS, AFM, TEM, SEM/EDX usw. sind einige gängige Techniken zur Charakterisierung von GO-Proben. Experimentelle Ergebnisse von Graphit/Graphenoxid wurden im Detail rechnerisch analysiert. Da die Verteilung der Sauerstofffunktionalitäten auf GO-Faltblättern polydispers ist, können Fraktionierungsverfahren verwendet werden, um GO-Faltblätter auf der Basis von Oxidation zu charakterisieren und zu trennen. Unterschiedliche Synthesemethoden führen zu unterschiedlichen Typen von Graphenoxid. Auch die unterschiedlichen Chargen ähnlicher Oxidationsverfahren können aufgrund unterschiedlicher Reinigungs- oder Quenchprozesse Unterschiede in ihren Eigenschaften aufweisen.
Oberflächeneigenschaften
Es ist auch möglich, die Oberfläche von Graphenoxid zu modifizieren, um seine Eigenschaften zu ändern. Graphenoxid hat einzigartige Oberflächeneigenschaften, die es zu einem sehr guten Tensidmaterial machen, das verschiedene Emulsionssysteme stabilisiert. Graphenoxid verbleibt an der Grenzfläche der Emulsionssysteme aufgrund des Unterschieds in der Oberflächenenergie der beiden durch die Grenzfläche getrennten Phasen.
Beziehung zu Wasser
Graphitoxide nehmen Feuchtigkeit proportional zur Feuchtigkeit auf und quellen in flüssigem Wasser auf. Die von Graphitoxiden aufgenommene Wassermenge hängt von der jeweiligen Synthesemethode ab und zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit.
Brodie-Graphitoxid absorbiert selektiv Methanol aus Wasser/Methanol-Gemischen in einem bestimmten Bereich von Methanolkonzentrationen.
Aus Graphitoxiden hergestellte Membranen (in letzter Zeit häufiger als "Graphenoxid"-Membranen bezeichnet) sind vakuumdicht und für Stickstoff und Sauerstoff undurchlässig, aber für Wasserdämpfe durchlässig. Die Membranen sind auch für "Substanzen mit niedrigerem Molekulargewicht" undurchlässig. Die Permeation von Graphit- und Graphenoxid-Membranen durch polare Lösungsmittel ist aufgrund der Quellung der Graphitoxid-Struktur möglich. Die Membranen sind im gequollenen Zustand auch für Gase, zB Helium, durchlässig. Graphenoxidschichten sind in flüssigem Wasser chemisch reaktiv, was dazu führt, dass sie eine kleine negative Ladung annehmen.
Der Schichtabstand getrockneter Graphitoxide wurde mit ~6–7 angegeben, in flüssigem Wasser steigt er jedoch bei Raumtemperatur auf 11–13 an. Die Gitterausdehnung wird bei niedrigeren Temperaturen stärker. Der Schichtabstand in verdünnter NaOH erreichte unendlich , was zu einer Dispersion von Graphitoxid auf einschichtigen Graphenoxidschichten in Lösung führte. Graphitoxid kann als Kationenaustauschermembran für Materialien wie KCl-, HCl-, CaCl2-, MgCl2-, BaCl2-Lösungen verwendet werden. Die Membranen waren für große Alkaliionen durchlässig, da sie zwischen Graphenoxidschichten eindringen können.
Anwendungen
Optische Nichtlinearität
Nichtlineare optische Materialien sind für die ultraschnelle Photonik und Optoelektronik von großer Bedeutung. Kürzlich haben sich die riesigen optischen Nichtlinearitäten von Graphenoxid (GO) für eine Reihe von Anwendungen als nützlich erwiesen. Beispielsweise sind die optischen Begrenzungen von GO unverzichtbar, um empfindliche Instrumente vor laserinduzierten Schäden zu schützen. Und die sättigbare Absorption kann für Pulskompression, Modenkopplung und Q-Switching verwendet werden. Außerdem ist die nichtlineare Brechung (Kerr-Effekt) entscheidend für Funktionen wie rein optisches Schalten, Signalregeneration und schnelle optische Kommunikation.
Eine der faszinierendsten und einzigartigsten Eigenschaften von GO besteht darin, dass seine elektrischen und optischen Eigenschaften dynamisch eingestellt werden können, indem der Gehalt an sauerstoffhaltigen Gruppen entweder durch chemische oder physikalische Reduktionsmethoden manipuliert wird. Die Abstimmung der optischen Nichtlinearitäten wurde während des gesamten laserinduzierten Reduktionsprozesses durch kontinuierliche Erhöhung der Laserstrahlung demonstriert und es wurden vier Stufen unterschiedlicher nichtlinearer Aktivitäten entdeckt, die als vielversprechende Festkörpermaterialien für neuartige nichtlineare Funktionsbauteile dienen könnten. Es ist auch bewiesen, dass Metallnanopartikel die optische Nichtlinearität und Fluoreszenz von Graphenoxid stark verbessern können .
Graphen-Herstellung
Graphitoxid hat als möglicher Weg für die großtechnische Herstellung und Manipulation von Graphen , einem Material mit außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, großes Interesse auf sich gezogen . Graphitoxid selbst ist ein Isolator, fast ein Halbleiter , mit einer unterschiedlichen Leitfähigkeit zwischen 1 und 5×10 -3 S/cm bei einer Vorspannung von 10 V. Da es jedoch hydrophil ist , dispergiert Graphitoxid leicht in Wasser und zerfällt in makroskopische Flocken , meist eine Schicht dick. Die chemische Reduktion dieser Flocken würde eine Suspension von Graphenflocken ergeben. Es wurde argumentiert, dass Hanns-Peter Boehm 1962 über die erste experimentelle Beobachtung von Graphen berichtete . In dieser frühen Arbeit wurde die Existenz von einschichtigen reduzierten Graphenoxidflocken nachgewiesen. Der Beitrag von Boehm wurde kürzlich von Andre Geim , dem Nobelpreisträger für Graphenforschung, gewürdigt .
Teilweise Reduktion kann durch Behandlung des suspendierten Graphenoxids mit erreicht wird Hydrazin - hydrat bei 100 ° C für 24 Stunden, durch Graphenoxids Wasserstoff aussetzt Plasma für einige Sekunden, oder durch Bestrahlen mit einem starken Lichtimpuls, wie beispielsweise die einen Xenon blitzen . Aufgrund des Oxidationsprotokolls behindern bereits in Graphenoxid vorhandene vielfältige Defekte die Wirksamkeit der Reduktion. Somit ist die nach der Reduktion erhaltene Graphenqualität durch die Vorläuferqualität (Graphenoxid) und die Effizienz des Reduktionsmittels begrenzt. Die Leitfähigkeit des auf diesem Weg erhaltenen Graphens liegt jedoch unter 10 S/cm und die Ladungsbeweglichkeit liegt zwischen 0,1 und 10 cm 2 /Vs. Diese Werte sind viel höher als die des Oxids, aber immer noch einige Größenordnungen niedriger als die von reinem Graphen. Vor kurzem wurde das Syntheseprotokoll für Graphitoxid optimiert und fast intaktes Graphenoxid mit einem erhaltenen Kohlenstoffgerüst erhalten. Die Reduktion dieses fast intakten Graphenoxids funktioniert viel besser und die Mobilitätswerte der Ladungsträger überschreiten 1000 cm 2 /Vs für die beste Qualität der Flocken. Die Untersuchung mit dem Rasterkraftmikroskop zeigt, dass die Sauerstoffbindungen die Kohlenstoffschicht verzerren und eine ausgeprägte Eigenrauheit in den Oxidschichten erzeugen, die nach der Reduktion bestehen bleibt. Diese Defekte zeigen sich auch in Raman-Spektren von Graphenoxid.
Große Mengen an Graphenschichten können auch durch thermische Verfahren hergestellt werden. 2006 wurde beispielsweise eine Methode entdeckt, die Graphitoxid durch schnelles Erhitzen (>2000 °C/min) auf 1050 °C gleichzeitig abblättert und reduziert. Bei dieser Temperatur wird Kohlendioxid freigesetzt, wenn die Sauerstofffunktionalitäten entfernt werden, und trennt die Blätter beim Austritt explosionsartig.
Das Belichten eines Graphitoxidfilms mit dem Laser einer LightScribe-DVD hat auch gezeigt, dass qualitativ hochwertiges Graphen zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
Graphenoxid wurde auch in situ zu Graphen reduziert , wobei ein 3D-gedrucktes Muster von manipulierten E. coli- Bakterien verwendet wurde. Um den Einsatz schädlicher Chemikalien zu vermeiden, konzentrieren sich viele Forscher auch auf die Herstellung von Graphen, indem sie natürliche Substanzen wie Grünteepulver, Kaffeepulver und Zitronenextrakt als Reduktionsmittel verwenden., Das mit diesen Substanzen synthetisierte Graphen zeigte jedoch sehr wenig elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem durch Synthesemethoden reduzierten Graphenoxid.
Wasserreinigung
Graphitoxide wurden seit den 1960er Jahren zur Entsalzung von Wasser mittels Umkehrosmose untersucht . Im Jahr 2011 wurde zusätzliche Forschung veröffentlicht.
2013 kündigte Lockheed Martin seinen Perforene Graphen-Filter an. Lockheed behauptet, dass der Filter die Energiekosten der Umkehrosmose-Entsalzung um 99 % reduziert. Lockheed behauptete, dass der Filter 500-mal dünner als der beste Filter auf dem Markt sei, tausendmal stärker und 1% des Drucks benötige. Das Produkt sollte nicht vor 2020 erscheinen.
Eine andere Studie zeigte, dass Graphitoxid so konstruiert werden könnte, dass es Wasser durchlässt, aber einige größere Ionen zurückhält. Schmale Kapillaren ermöglichen eine schnelle Permeation von ein- oder zweischichtigem Wasser. Mehrschichtige Laminate haben eine perlmuttähnliche Struktur , die mechanische Festigkeit unter wasserfreien Bedingungen bietet. Helium kann unter feuchtigkeitsfreien Bedingungen die Membranen nicht passieren, dringt jedoch leicht ein, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wird, während Wasserdampf ohne Widerstand durchdringt. Trockene Laminate sind vakuumdicht, aber in Wasser getaucht, wirken sie als Molekularsiebe und blockieren einige gelöste Stoffe.
Ein drittes Projekt produzierte Graphenschichten mit subnanoskaligen (0,40 ± 0,24 nm) Poren. Das Graphen wurde mit Galliumionen beschossen , die Kohlenstoffbindungen unterbrechen. Das Ätzen des Ergebnisses mit einer oxidierenden Lösung erzeugt an jeder von einem Galliumion getroffenen Stelle ein Loch. Die in der Oxidationslösung verbrachte Zeitdauer bestimmte die durchschnittliche Porengröße. Die Porendichte erreichte 5 Billionen Poren pro Quadratzentimeter, während die strukturelle Integrität beibehalten wurde. Die Poren ermöglichten den Kationentransport bei kurzen Oxidationszeiten, was mit der elektrostatischen Abstoßung von negativ geladenen funktionellen Gruppen an den Porenrändern übereinstimmt . Bei längeren Oxidationszeiten waren die Blätter durchlässig für Salz, aber nicht für größere organische Moleküle.
Im Jahr 2015 stellte ein Team einen Graphenoxid-Tee her, der im Laufe eines Tages 95 % der Schwermetalle in einer wässrigen Lösung entfernte
Eine davon projiziert geschichtete Kohlenstoffatome in einer Wabenstruktur, die einen sechseckigen Kristall mit einer Breite und Länge von etwa 0,1 Millimetern mit Subnanometer-Löchern bilden. Spätere Arbeiten erhöhten die Membrangröße auf mehrere Millimeter.
An einer Polycarbonat-Trägerstruktur befestigtes Graphen war anfangs wirksam bei der Entfernung von Salz. Es bildeten sich jedoch Defekte im Graphen. Das Auffüllen größerer Defekte mit Nylon und kleinerer Defekte mit Hafniummetall gefolgt von einer Oxidschicht stellte den Filtereffekt wieder her.
Im Jahr 2016 entwickelten Ingenieure Filme auf Graphenbasis, die schmutziges / salziges Wasser filtern können, das von der Sonne angetrieben wird. Mithilfe von Bakterien wurde ein Material hergestellt, das aus zwei Nanozelluloseschichten besteht. Die untere Schicht enthält reine Zellulose , während die obere Schicht Zellulose und Graphenoxid enthält, das Sonnenlicht absorbiert und Wärme erzeugt. Das System saugt Wasser von unten in das Material ein. Das Wasser diffundiert in die höhere Schicht, wo es verdunstet und alle Verunreinigungen zurücklässt. Das Verdunsten kondensiert oben und kann dort aufgefangen werden. Der Film wird durch wiederholtes Aufbringen einer flüssigen Beschichtung hergestellt, die aushärtet. Bakterien produzieren Nanocellulosefasern mit eingestreuten Graphenoxidflocken. Der Film ist leicht und einfach im Maßstab herzustellen.
Glasur
Optisch transparente, mehrschichtige Folien aus Graphenoxid sind unter trockenen Bedingungen undurchlässig. Wenn sie Wasser (oder Wasserdampf) ausgesetzt sind, ermöglichen sie den Durchgang von Molekülen unterhalb einer bestimmten Größe. Die Filme bestehen aus Millionen zufällig gestapelter Flocken, zwischen denen Kapillaren in Nanogröße zurückbleiben . Durch das Verschließen dieser Nanokapillaren durch chemische Reduktion mit Jodwasserstoffsäure entstehen Filme aus „reduziertem Graphenoxid“ (r-GO), die für Gase, Flüssigkeiten oder starke Chemikalien mit einer Dicke von mehr als 100 Nanometern vollständig undurchlässig sind. Als Behälter für korrosive Säuren können mit einer solchen Graphen-"Farbe" beschichtete Glaswaren oder Kupferplatten verwendet werden. Graphenbeschichtete Kunststofffolien könnten in medizinischen Verpackungen verwendet werden, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Verwandte Materialien
Dispergierte Graphenoxidflocken können auch aus der Dispersion gesiebt werden (wie bei der Papierherstellung ) und zu einem überaus starken Graphenoxidpapier gepresst werden .
Graphenoxid wurde in DNA-Analyseanwendungen verwendet. Die große ebene Oberfläche von Graphenoxid ermöglicht das gleichzeitige Löschen mehrerer DNA-Sonden, die mit verschiedenen Farbstoffen markiert sind, was den Nachweis mehrerer DNA-Targets in derselben Lösung ermöglicht. Weitere Fortschritte bei DNA-Sensoren auf Graphenoxidbasis könnten zu einer sehr kostengünstigen schnellen DNA-Analyse führen. Vor kurzem entdeckte eine Gruppe von Forschern der Universität L'Aquila (Italien) neue Benetzungseigenschaften von Graphenoxid, das im Ultrahochvakuum bis 900 °C thermisch reduziert wurde. Sie fanden eine Korrelation zwischen der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche, der freien Oberflächenenergie und ihren polaren und dispersiven Komponenten, was die Benetzungseigenschaften von Graphenoxid und reduziertem Graphenoxid begründet.
Flexible Akkuelektrode
Graphenoxid wurde als flexibles, freistehendes Batterieanodenmaterial für Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien bei Raumtemperatur demonstriert. Es wird auch als Leitmittel mit großer Oberfläche in Lithium-Schwefel-Batteriekathoden untersucht. Die funktionellen Gruppen auf Graphenoxid können als Orte für die chemische Modifikation und Immobilisierung aktiver Spezies dienen. Dieser Ansatz ermöglicht die Schaffung von Hybridarchitekturen für Elektrodenmaterialien. Jüngste Beispiele hierfür wurden in Lithium-Ionen-Batterien implementiert, die dafür bekannt sind, auf Kosten niedriger Kapazitätsgrenzen wiederaufladbar zu sein. Mit Metalloxiden und -sulfiden funktionalisierte Verbundwerkstoffe auf Graphenoxidbasis haben in neueren Forschungen gezeigt, dass sie eine verbesserte Batterieleistung bewirken. Dies wurde in ähnlicher Weise auf Anwendungen in Superkondensatoren übertragen, da die elektronischen Eigenschaften von Graphenoxid es ermöglichen, einige der vorherrschenden Einschränkungen typischer Übergangsmetalloxidelektroden zu umgehen. Die Forschung auf diesem Gebiet entwickelt sich weiter, wobei zusätzliche Methoden untersucht werden, die Stickstoffdotierung und pH-Einstellung zur Verbesserung der Kapazität beinhalten. Darüber hinaus wird derzeit an der Erforschung von reduzierten Graphenoxidschichten, die überlegene elektronische Eigenschaften aufweisen, die denen von reinem Graphen ähneln, untersucht. Reduzierte Anwendungen von Graphenoxid erhöhen die Leitfähigkeit und Effizienz erheblich, während gleichzeitig eine gewisse Flexibilität und strukturelle Integrität geopfert werden.
Graphenoxid-Linse
Die optische Linse spielt seit ihrer Erfindung vor etwa 3000 Jahren in fast allen Bereichen der Wissenschaft und Technik eine entscheidende Rolle. Mit den Fortschritten bei Mikro- und Nanofertigungstechniken wurde immer eine kontinuierliche Miniaturisierung der herkömmlichen optischen Linsen für verschiedene Anwendungen wie Kommunikation, Sensoren, Datenspeicherung und eine Vielzahl anderer technologie- und verbraucherorientierter Industrien gefordert. Insbesondere für Subwellenlängenoptiken oder Nanooptiken mit extrem kleinen Strukturen, insbesondere für Anwendungen im sichtbaren und nahen IR-Bereich, werden immer kleinere Größen sowie dünnere Dicken von Mikrolinsen dringend benötigt. Da die Entfernungsskala für die optische Kommunikation schrumpft, werden auch die erforderlichen Merkmalsgrößen von Mikrolinsen schnell nach unten gedrückt.
Vor kurzem bieten die hervorragenden Eigenschaften des neu entdeckten Graphenoxids neuartige Lösungen, um die Herausforderungen aktueller planarer Fokussiervorrichtungen zu überwinden. Insbesondere wurde eine riesige Änderung des Brechungsindex (bis zu 10^-1), die eine Größenordnung größer ist als die der aktuellen Materialien, zwischen Graphenoxid (GO) und reduziertem Graphenoxid (rGO) durch dynamische Manipulation seines Sauerstoffgehalts nachgewiesen unter Verwendung des Direct Laser Writing (DLW)-Verfahrens. Als Ergebnis kann die Gesamtlinsendicke potentiell um mehr als das Zehnfache reduziert werden. Es wurde auch festgestellt, dass die lineare optische Absorption von GO mit zunehmender Verringerung von GO zunimmt, was zu einem Transmissionskontrast zwischen GO und rGO führt und daher einen Amplitudenmodulationsmechanismus bereitstellt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sowohl der Brechungsindex als auch die optische Absorption über einen breiten Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot dispersionsfrei sind. Schließlich bietet der GO-Film eine flexible Strukturierungsfähigkeit durch Verwendung des maskenlosen DLW-Verfahrens, was die Herstellungskomplexität und -anforderung reduziert.
Als Ergebnis wird ein neuartiges ultradünnem Planarlinse hat auf einem GO - Dünnfilm wurde vor kurzem mit dem DLW Verfahren realisiert. Der entscheidende Vorteil der GO-Flachlinse besteht darin, dass Phasenmodulation und Amplitudenmodulation gleichzeitig erreicht werden können, was auf die riesige Brechungsindexmodulation bzw. die variable lineare optische Absorption von GO während seines Reduktionsprozesses zurückzuführen ist. Aufgrund der verbesserten Wellenfrontformungsfähigkeit wird die Linsendicke auf die Subwellenlängenskala (~200 nm) gesenkt, die dünner ist als alle aktuellen dielektrischen Linsen (~µm-Skala). Die Fokussierungsintensitäten und die Brennweite können durch Variieren der Laserleistungen bzw. der Linsengrößen effektiv gesteuert werden. Durch die Verwendung eines Ölimmersionsobjektivs mit hoher NA während des DLW-Prozesses wurde eine 300-nm-Fertigungsstrukturgröße auf GO-Filmen realisiert, und daher wurde die minimale Linsengröße auf einen Durchmesser von 4,6 µm verkleinert, der die kleinste planare Mikrolinse ist und nur realisiert mit Metasurface von FIB. Danach kann die Brennweite auf bis zu 0,8 µm reduziert werden, was potentiell die numerische Apertur (NA) und die Fokussierungsauflösung erhöhen würde.
Die Halbwertsbreite (FWHM) von 320 nm bei minimalem Brennfleck unter Verwendung eines 650-nm-Eingangsstrahls wurde experimentell nachgewiesen, was der effektiven numerischen Apertur (NA) von 1,24 (n = 1,5) entspricht, der größten NA aktueller Mikrolinsen. Darüber hinaus wurde mit derselben Planlinse eine Ultrabreitband-Fokussierfähigkeit von 500 nm bis 2 µm realisiert, was aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit geeigneter Materialien und Fertigungstechnologien immer noch eine große Herausforderung bei der Fokussierung im Infrarotbereich darstellt. Am wichtigsten ist, dass die synthetisierten hochwertigen GO-Dünnschichten flexibel auf verschiedenen Substraten integriert und einfach mit dem einstufigen DLW-Verfahren großflächig zu vergleichbar niedrigen Kosten und Leistung (~nJ/Puls) hergestellt werden können, was schließlich die GO-Flachgläser vielversprechend für verschiedene praktische Anwendungen.
Energieumwandlung
Die photokatalytische Wasserspaltung ist ein künstlicher Photosyntheseprozess, bei dem Wasser unter Verwendung von künstlichem oder natürlichem Licht in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. Zur Gewinnung von Wasserstoff als sauberer Energieträger werden derzeit Methoden wie die photokatalytische Wasserspaltung untersucht. Die überlegene Elektronenbeweglichkeit und die große Oberfläche von Graphenoxidschichten legen nahe, dass sie als Katalysator implementiert werden können, der die Anforderungen für diesen Prozess erfüllt. Insbesondere ermöglichen die funktionellen Zusammensetzungsgruppen von Graphenoxid aus Epoxid (-O-) und Hydroxid (-OH) eine flexiblere Steuerung des Wasserspaltungsprozesses. Diese Flexibilität kann genutzt werden, um die Bandlücke und die Bandpositionen, die bei der photokatalytischen Wasserspaltung angestrebt werden, maßzuschneidern. Jüngste Forschungsexperimente haben gezeigt, dass die photokatalytische Aktivität von Graphenoxid, das eine Bandlücke innerhalb der erforderlichen Grenzen enthält, zu effektiven Spaltungsergebnissen geführt hat, insbesondere wenn es mit einer Bedeckung von 40-50% bei einem Hydroxid:Epoxid-Verhältnis von 2:1 verwendet wird. Bei Verwendung in Verbundmaterialien mit CdS (einem typischen Katalysator für die photokatalytische Wasserspaltung) haben Graphenoxid-Nanokomposite eine erhöhte Wasserstoffproduktion und Quanteneffizienz gezeigt.
Wasserstoffspeicherung
Graphenoxid wird auch für seine Anwendungen in der Wasserstoffspeicherung erforscht. Wasserstoffmoleküle können zwischen den sauerstoffbasierten funktionellen Gruppen gespeichert werden, die überall in der Schicht zu finden sind. Diese Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung kann weiter manipuliert werden, indem der Zwischenschichtabstand zwischen den Blättern moduliert wird sowie Änderungen an den Porengrößen vorgenommen werden. Die Forschung zur Dekoration von Übergangsmetallen auf Kohlenstoff-Sorbentien zur Erhöhung der Wasserstoffbindungsenergie hat zu Experimenten mit Titan und Magnesium geführt, die an Hydroxylgruppen verankert sind, was die Bindung mehrerer Wasserstoffmoleküle ermöglicht.
Toxizität
Mehrere typische Mechanismen, die der Toxizität von Graphen(oxid)-Nanomaterialien zugrunde liegen, wurden aufgedeckt, beispielsweise physische Zerstörung, oxidativer Stress, DNA-Schäden, Entzündungsreaktionen, Apoptose, Autophagie und Nekrose. An diesen Mechanismen sind (toll-like Rezeptoren-) TLR-, Transforming Growth Factor β- (TGF-β-) und Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α) abhängige Pfade im Signalweg-Netzwerk sowie oxidativer Stress beteiligt spielt auf diesen Wegen eine entscheidende Rolle. Viele Experimente haben gezeigt, dass Graphen(oxid)-Nanomaterialien bei vielen biologischen Anwendungen toxische Nebenwirkungen haben, aber eine eingehendere Untersuchung der Toxizitätsmechanismen ist erforderlich. Nach Angaben der US-amerikanischen FDA rufen Graphen, Graphenoxid und reduziertes Graphenoxid sowohl in vitro als auch in vivo toxische Wirkungen hervor. Nanomaterialien der Graphen-Familie (GFN) sind von der US-amerikanischen FDA nicht für den menschlichen Verzehr zugelassen.