- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом. Чистый графен восстановлен из оксида графена (GO) в микроволновой печи. Масштаб 40 нм (слева) и 10 нм (справа). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University
Графен — 2D-модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом углерода. Материал обладает высокой механической жёсткостью, высокой теплопроводностью и уникальными физико-химическими свойствами. Он демонстрирует максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов на Земле. Это делает графен практически идеальным материалом в самых различных приложениях, в том числе в электронике, катализаторах, элементах питания, композитных материалах и т.д. Дело за малым — научиться получать качественные слои графена в промышленных масштабах.
Химики из Ратгерского университета (США) нашли простой и быстрый метод производства высококачественного графена путём обработки оксида графена в обычной микроволновой печи [1]. Метод на удивление примитивный и эффективный.
Оксид графита — соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Чтобы избавиться от оставшегося кислорода в оксиде графита, а затем получить чистый графен в двумерных листах, нужно приложить значительные усилия.
Оксид графита смешивают с сильными щелочами и ещё дальше восстанавливают материал. В результате получаются мономолекулярные листы с остатками кислорода. Эти листы принято называть оксидом графена (GO). Химики испробовали разные способы удаления лишнего кислорода из GO (1 [2], 2 [3], 3 [4], 4 [5]), но восстановленный такими способами GO (rGO) остаётся сильно неупорядоченным материалом, который далёк по своим свойствам от настоящего чистого графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD).
Даже в неупорядоченной форме rGO потенциально может быть полезен для энергоносителей (1 [6], 2 [7], 3 [8], 4 [9], 5 [10]) и катализаторов (1 [11], 2 [12], 3 [13], 4 [14]), но для извлечения максимальной выгоды от уникальных свойств графена в электронике нужно научиться получать чистый качественный графен из GO.
Химики из Ратгерского университета предлагают простой и быстрый способ восстановления GO до чистого графена, используя 1-2-секундные импульсы микроволнового излучения. Как видно на графиках, графен, полученный «микроволновым восстановлением» (MW-rGO) по своим свойствам намного ближе к чистейшему графену, полученному с помощью ХОГФ.
Физические характеристики MW-rGO, по сравнению с нетронутым оксидом графена GO, восстановленным оксидом графена rGO и графеном, полученным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Показаны типичные хлопья GO, осаждённые на кремниевую подложку (А); рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (B); рамановская спектроскопия © и соотношение размера кристаллов (La) к отношению пиков l2D/lG в рамановском спектре для MW-rGO, GO и ХОГФ (CVD). Иллюстрации: Rutgers University
Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University
Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.
Съёмка просвечивающим электронным микроскопом показывает, что после обработки СВЧ-излучателем образуется высокоупорядоченная структура, в которой кислородные функциональные группы практически полностью уничтожены.
На изображениях с просвечивающего электронного микроскопа показана структура листов графена со шкалой 1 нм. Слева — однослойный rGO, на котором много дефектов, в том числе функциональные группы кислорода (синяя стрелка) и дыры в углеродном слое (красная стрелка). По центру и справа — отлично структурированный двуслойный и трёхслойный MW-rGO. Фото: Rutgers University
Великолепные структурные свойства MW-rGO при использовании в полевых транзисторах позволяют увеличить максимальную подвижность электронов примерно до 1500 см2/В·с, что сравнимо с выдающими характеристиками современных транзисторов с высокой подвижностью электронов.
Кроме электроники, MW-rGO пригодится в производстве катализаторов: он показал исключительно маленькое значение коэффициента Тафеля [16] при использовании в качестве катализатора при реакции выделения кислорода: примерно 38 мВ на декаду. Катализатор на MW-rGO также сохранил стабильность в реакции выделения водорода, которая продолжалась более 100 часов.
Всё это предполагает отличный потенциал для использования восстановленного в микроволновом излучении графена в промышленности.
Научная статья "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide" опубликована [17] 1 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah3398).
Автор: alizar
Источник [18]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/himiya/182523
Ссылки в тексте:
[1] обработки оксида графена в обычной микроволновой печи: http://science.sciencemag.org/content/early/2016/08/31/science.aah3398.full
[2] 1: http://www.nature.com/nnano/journal/v4/n4/full/nnano.2009.58.html
[3] 2: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2010/JM/b920539j#!divAbstract
[4] 3: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl8019938
[5] 4: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201000732/abstract;jsessionid=F37B519CF3F04363877D872E7B943983.f01t01
[6] 1: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl802558y
[7] 2: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs3001286
[8] 3: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja105296a
[9] 4: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl200658a
[10] 5: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl2013828
[11] 1: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl900397t
[12] 2: http://www.nature.com/nmat/journal/v10/n10/full/nmat3087.html
[13] 3: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja201269b
[14] 4: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201307475/abstract
[15] методом Хаммерса: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01539a017
[16] коэффициента Тафеля: https://en.wikipedia.org/wiki/Tafel_equation
[17] опубликована: http://science.sciencemag.org/content/early/2016/08/31/science.aah3398
[18] Источник: https://geektimes.ru/post/280030/
Нажмите здесь для печати.