گرافن اکساید

گرافن اکساید

در ابتدا اکسید گرافن (GO) در نتیجه لایه برداری شیمیایی و اکسید شدن گرافیت کریستالی لایه ای (طبیعی یا مصنوعی) به وجود آمد. در شرایط معین اکسیداسیون اتم های کربن گرافیت، ساختار دوبعدی لایه ها را با گروه های عاملی حاوی اکسیژن متصل به هر دو طرف صفحه کربن و به لبه ها حفظ می کنند. مانند هر کربن ۲ بعدی، GO  می تواند ساختار تک لایه یا چند لایه داشته باشد. لایه‌های کربن در GO چندلایه توسط گروه‌های عاملی متصل به هر لایه از اتم‌های کربن جدا می‌شوند. اگرچه گرافن مانند GO یک ماده کربنی دو بعدی است، اما خواص آن بسیار با گرافن فاصله دارد. نور مرئی را جذب نمی‌کند، رسانایی الکتریکی بسیار پایینی نسبت به گرافن دارد و فعالیت شیمیایی بسیار بالاتری را نشان می‌دهد.

گرافن اکسید چیست و چگونه تولید می‌شود؟

همانطور که اشاره شد، GO شکل اکسید شده گرافن است. ساختار ایده‌ آل آن شامل یک صفحه کربنی شش‌ ضلعی (مانند گرافن) است که گروه‌ های اکسیژن‌ دار روی سطح و لبه‌ های آن قرار گرفته‌ اند. این ترکیب، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی به آن می‌ بخشد.

 روش تولید گرافن اکسید : روش هامرز
متداول‌ ترین روش صنعتی برای تولید GO، روش هامرز (Hummers’ Method) است. در این روش، گرافیت خام در محیطی قویاً اکسیدکننده (شامل سولفوریک اسید، نیتریک اسید و پرمنگنات پتاسیم) تحت واکنش قرار می‌ گیرد. نتیجه این فرآیند، ورقه‌ ورقه شدن گرافیت و اکسیداسیون صفحات کربنی است که در نهایت پس از شست‌ و شو و خشک‌ کردن، پودر یا خمیر قهوه‌ای رنگ گرافن اکسید به دست می‌ آید.

ساختار و ترکیب گرافن اکساید

بر اساس مدل Lerf-Klinovski’s، هر ذره GO را با صفحه پایه اتم‌ های کربن هیبرید شده sp3 با گروه‌های عاملی هیدروکسیل و اپوکسی با پیوند شیمیایی که در مجاورت یکدیگر در هر دو طرف صفحه قرار دارند، نشان می‌ دهد.

خواص اکسید گرافن

ذرات GO (Graphene Oxide) بسیار آبدوست هستند. آنها پراکندگی های آبی پایدار در طیف وسیعی از غلظت ها را تشکیل می دهند. همچنین پراکندگی های پایداری را در تعدادی از حلال های آلی مانند اتیلن گلیکول، دی متیل فرمامید (DMF)، n-متیل-۲-پیرولیدون (NMP)، تتراهیدروفوران (THF) به دلیل پیوند هیدروژنی بین گروه های هیدروکسیل در سطح آنها تشکیل می دهند. این ویژگی امکان ساخت فیلم بر روی انواع بسترها را حتی با استفاده از روش ریخته گری ساده را فراهم می کند. لایه های نازک GO شفافیت نوری بالایی را از خود نشان می دهند.

ویژگیهای GO آن را از سایر نانو مواد متمایز می‌ سازد :

1. آبدوستی و پراکندگی عالی در آب: مهمترین ویژگی که امکان فرآوری آسان و کم‌ هزینه را فراهم می‌ کند.
2. سطح ویژه بسیار بالا : همانند گرافن، داشتن سطح گسترده، آن را برای جذب مواد، کاتالیست و ساخت الکترود ایده‌آل می‌ کند.
3. قابلیت اصلاح‌ پذیری شیمیایی بالا : وجود گروه‌ های عاملی اکسیژن‌ دار، سکوی مناسبی برای اتصال مولکول‌، پلیمر یا نانوذرات دیگر به سطح GO است و کامپوزیت‌ های جدیدی خلق می‌ کند.
4. خواص مکانیکی عالی : اگرچه استحکام آن از گرافن خالص کمتر است، اما هنوز بسیار مستحکم و سبک است.
5. هدایت الکتریکی قابل تنظیم : GO یک عایق است. اما می‌ توان آن را به روش‌ های شیمیایی یا حرارتی تا حد زیادی به گرافن احیا شده (rGO) تبدیل کرد که هدایت الکتریکی بالایی دارد.

کاربردهای اکسید گرافن

بخش قابل توجهی از کاربردهای مواد GO رسانایی الکتریکی است. همانطور که در بالا ذکر شد GO با نسبت O/C بالا عایق است. بنابراین به منظور افزایش رسانایی GO نیاز به بازسازی جزئی آن است. از دیگر کاربرد های گرافن اکسایدها در ابر خازن ها، باطری های لیتیومی، فتو کاتالیست ها ، سل های خورشیدی و… است.