Onderzoek onthult beste omstandigheden voor opslag van grafeenoxide

Een onderzoeksteam van Skoltech en andere wetenschappelijke organisaties heeft een studie uitgevoerd om te bepalen welke omstandigheden het meest geschikt zijn voor de opslag van grafeenoxide. Grafeenoxide is een veelbelovend materiaal dat kan worden gebruikt voor de productie van composietmaterialen, gassensoren en op veel andere gebieden.

De resultaten laten zien dat de meest optimale omstandigheden voor grafeenoxide, waarbij de eigenschappen ervan niet veranderen, lage temperaturen en een gebrek aan licht zijn. papier werd gepubliceerd in de Oppervlakken en interfaces tijdschrift.

Grafeen heeft unieke eigenschappen en wordt veel gebruikt in elektronica, energieopslag en opto-elektronica. Het verkrijgen van zuiver grafeen in grote hoeveelheden is niet eenvoudig en duur, dus wordt het vaak vervangen door derivaten, bijvoorbeeld grafeenoxide (GO). Het heeft een hoge elektrische weerstand, lage thermische geleidbaarheid en hoge oplosbaarheid.

Grafeenoxide wordt nog niet op grote schaal in de industrie gebruikt vanwege de chemische heterogeniteit, structurele stoornissen die ontstaan ​​door de agressieve chemische omgeving tijdens de synthese en de natuurlijke veroudering van het materiaal onder invloed van de omgeving.

“De structuur van chemisch vervaardigd grafeenoxide is erg moeilijk te reproduceren – het zal altijd anders zijn. En na een tijdje begint het af te breken en veranderen de eigenschappen van het oxide zelf,” zei Dmitry Kvashnin, medeauteur van de studie, doctor in de wetenschappen in natuurkunde en wiskunde, docent, Leading Research Scientist bij het Emanuel Institute of Biochemical Physics van de Russische Academie van Wetenschappen.

“Als het materiaal na de productie naar een andere plek wordt gestuurd, een ander instituut of land, komt het in een compleet andere staat aan. En zelfs als de reageerbuisjes gewoon in het laboratorium staan, veranderen de eigenschappen van het materiaal ook. We besloten een uitgebreide studie uit te voeren naar de beste omstandigheden om monsters in op te slaan.”

Het team produceerde verschillende monsters van grafeenoxide, met identieke chemische samenstelling en productiemethode, en plaatste ze onder verschillende omstandigheden: bij kamertemperatuur en in de koelkast, maar ook bij en zonder licht.

“Gedurende 150 dagen observeerden we veranderingen in de eigenschappen van de monsters. We keken naar hoe de absorptiespectra, röntgenfoto-elektronenstralingsspectra, waterstofindex en viscositeit van suspensies veranderen. De uitgebreide analyse van deze kenmerken stelde ons in staat om ons begrip van de processen die plaatsvinden op het oppervlak van grafeenoxide uit te breiden, wat leidt tot structurele veranderingen,” aldus de eerste auteur van de studie, Julia Bondareva, een onderzoeker bij het Materials Center van Skoltech.

“We ontdekten dat grafeenoxide het beste in de kou en zonder blootstelling aan licht bewaard kan worden. In dit geval is er geen reductie, dat wil zeggen dat zuurstofhoudende groepen niet van het oppervlak van grafeenoxide worden verwijderd en het niet terugverandert in grafeen. En bij kamertemperatuur en in het licht herstelt het sneller. We kunnen zien dat zelfs door de kleurverandering van de oplossing, deze donkerder wordt.”

“Om erachter te komen welke veranderingen er kunnen optreden in de structuur van grafeenoxide en waarom het na verloop van tijd neerslaat, hebben we supercomputer atomistische modellering gebruikt. Met behulp van kwantumchemische berekeningen hebben we aangetoond dat zuurstofgroepen op het oppervlak van grafeenoxide in hun meest stabiele toestand de neiging hebben om te clusteren,” legt Nikita Orekhov uit, een co-auteur van het werk, adjunct-hoofd van het Laboratory of Computer Design of Materials bij MIPT, Ph.D. in Physics and Mathematics.

“Dit verschilt van het merendeel van de modellen die in de literatuur worden gebruikt, die uitgaan van een gelijkmatige willekeurige verdeling van zuurstof. De clustering van zuurstofgroepen die we lieten zien, zou enerzijds moeten leiden tot een verandering in optische spectra, en anderzijds tot de vorming van zuivere grafeengebieden in die gebieden waar zuurstof vandaan ‘migreerde’.

“Aangezien grafeen een extreem hydrofoob materiaal is, zullen zulke gebieden de neiging hebben om aan elkaar te plakken om contact met water te minimaliseren. Dit is precies wat leidt tot de neerslag die in het experiment is waargenomen.”

De resultaten bewijzen dat er speciale aandacht moet worden besteed aan de opslagomstandigheden van de materialen en aan hun eigenschappen in elke fase van de synthese, zo merken de auteurs op.