Хіміки навчилися отримувати оксид графена без шкоди для навколишнього середовища

Китайські хіміки розробили метод отримання оксиду графена, безпечний для навколишнього середовища. Запропонований підхід заснований на електрохімічному окисленні і приблизно в 100 разів швидше окислення традиційними методами, пишуть вчені в.

Оксид графена - матеріал, дуже схожий на графен: він теж складається з гексагональної акціонерної решітки з атомів вуглецю, але, на відміну від графена, в ньому присутні пори, а на кордонах решітки до атомів вуглецю приєднані кисень-містні групи (в першу чергу це гідрокси-, епокси- і карбоксильні групи). За своїми механічними властивостями оксид графена досить близький до самого графену, проте його хімічні та електронні властивості дещо відрізняються. Це, наприклад, дозволяє робити з нього більш ефективні мембрани для фільтрування води і органічних розчинників або сенсори для визначення вологості повітря. Зазвичай оксид графена отримують за допомогою окислення графена сильними окислювачами, зокрема за допомогою перманганату калію в процесі синтезу за методом Хаммерса. Однак такі методи займають досить довгий час, при цьому в більшості випадків реакційна суміш є вибухонебезпечною, а деякі з продуктів реакції виявляються шкідливі для навколишнього середовища.

Китайські хіміки під керівництвом Веньцая Женя (Wencai Ren) з Шеньянського інституту дослідження металів запропонували для синтезу оксиду графена використовувати електролітичне окислення у водному розчині. За словами авторів роботи, на відміну від використовуваних зараз методів, такий підхід використовує тільки методи «зеленої хімії», тому не становить небезпеки для навколишнього середовища.

Для отримання оксиду графена хіміки запропонували наступну методику. Спочатку графітовий папір занурюють у розчин 98-відсоткової сірчаної кислоти і витримують у ній протягом 20 хвилин при напрузі 1,6 вольту. Це дозволяє гідросульфат-іонам вбудуватися між вуглецевими шарами. Після цього кислоту розбавляють приблизно вдвічі, а напругу збільшують до 5 вольт. Хвилинна обробка графіту в таких умовах призводить до утворення оксиду графіту. Після цього отриманий матеріал очищають за допомогою вакуумної фільтрації і за допомогою ультразвуку у воді тривимірну багатошарову структуру розбивають на окремі шари оксиду графена.

Отриманий оксид графену вчені порівняли з оксидом графену, отриманим традиційним методом Хаммерса, і виявилося, що за своїми структурами, складом, оптичними і провідними властивостями практично не відрізняється від аналогів. При цьому, за словами вчених весь процес отримання таким чином займає не більше півгодини, а безпосередньо стадія окислення займає всього кілька секунд, що приблизно в 100 разів швидше традиційних методів окислення. При цьому методика дозволяє контролювати ступінь окислення графена, число шарів в матеріалі, що утворився, а також його поперечні розміри за допомогою зміни концентрації сірчаної кислоти.

Щоб показати, що отриманий оксид графена можна використовувати для створення функціональних матеріалів, вчені використовували його для створення проведених прозорих плівок, міцного паперу і надлегких пруглих аерогелів - найбільш поширених сучасних додатків для оксиду графена. За своїми параметрами отримані матеріали не поступалися отриманим традиційними способами: прозорість проведених плівок склала 80 відсотків при довжині хвилі 550 нанометрів, механічна міцність паперу - 175 мегапаскалів, а щільність аерогелю - 3 міліграми на кубічний сантиметр.

Оксид графена часто використовують як речовину, з якої потім за допомогою відновлення отримують графен. Такий графен містить велику кількість дефектів і може використовуватися для створення проведеної тканини дуже великої площі, з якої можна робити елементи, наприклад, для носимих сенсорів та іншої електроніки.